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各向異性材料中的極化子，具有奇異的光學(xué)特性，這為在納米尺度上控制光提供了機會。到目前為止，這些極化子可分為兩類：在材料內(nèi)部傳播的體極化子和從界面以指數(shù)衰減的表面極化子。

在此，來自中國科學(xué)院國家納米科學(xué)與技術(shù)中心的戴慶&紐約市立大學(xué)的Andrea Alù &新加坡國立大學(xué)的仇成偉&華中科技大學(xué)的張新亮&李培寧等研究者，報道了一種幽靈聲子極化子的近場觀測，它以平面內(nèi)雙曲色散在極單軸晶體表面?zhèn)鞑?/strong>，同時在體塊中呈現(xiàn)斜波陣面。相關(guān)論文以題為“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”于2021年08月18日發(fā)表在Nature上。

當(dāng)沿正交主軸方向的介電常數(shù)張量元素符號相反時，天然晶體會表現(xiàn)出極端的介電各向異性。這些特征導(dǎo)致極化子(輕物質(zhì)混合電磁激發(fā))具有雙曲色散，即極化子的波矢量k遵循雙曲等頻線。這些雙曲極化子首次在范德華晶體的薄層中發(fā)現(xiàn)，如六方氮化硼(hBN)， α相三氧化鉬(α-MoO₃)， α相五氧化釩(α-V₂O₅)和二鹵系二硒化鎢(WSe₂)。它們的特點是電磁能量的納米級定位、長極化子壽命和增強的光子態(tài)密度，這有利于亞衍射成像、熱能轉(zhuǎn)移、振動分子傳感、紅外光探測和扭曲納米光學(xué)等各種應(yīng)用。

到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種類型的雙曲極化子：體積限制的雙曲極化子(v-HPs)和表面限制的雙曲極化子(s-HPs)(也稱為Dyakonov極化子)。在具有純實值平面外波矢量的低損耗晶體內(nèi)定向傳播的v-HPs，主要以范德華薄膜內(nèi)的波導(dǎo)模式的形式進行研究。

相比之下，s-HPs是麥克斯韋方程組的解，它是一個純虛的平面外波矢量，在兩種介質(zhì)的界面處得到支持，其中至少有一種介質(zhì)的光軸在平面內(nèi)，是各向異性的。與v-HPs相比，它們具有更大的電磁場約束、更小的群速度、更高的環(huán)境敏感性和類似的長壽命。

最近，在范德華薄片的邊緣發(fā)現(xiàn)了s-HPs；然而，還沒有實驗在樣品表面直接成像s-HPs。由于薄膜剝離后光軸晶格方向的后處理面臨挑戰(zhàn)，觀測s-HPs的挑戰(zhàn)部分與以下事實有關(guān)：之前所有關(guān)于二維范德華材料的研究都局限于它們的光軸要么在平面內(nèi)，要么在平面外。因此，由此產(chǎn)生的極化子可能的傳播特性不可避免地受到限制。

在此，研究者探索了一個各向異性晶體的光軸和它的表面不一致的情況，揭示了不尋常的各向異性極化子的存在，即幽靈雙曲聲子極化子(g-HPs)。幽靈極化子是麥克斯韋方程組的非均勻表面波解，產(chǎn)生于光軸相對界面傾斜的單軸材料表面。它們表現(xiàn)出一種不尋常的雙態(tài)性質(zhì)，在晶體體內(nèi)既傳播(相位發(fā)展)又消逝(衰變)，這與傳統(tǒng)的表面波完全從界面消失形成了鮮明對比。

研究者的真實空間近場成像實驗揭示了，遠距離(超過20微米)的深亞波長幽靈極化子在表面的射線式傳播，驗證了長程、定向和無衍射的極化化子傳播。同時，通過控制光軸的面外角，可以實現(xiàn)固定頻率下的雙曲到橢圓拓撲轉(zhuǎn)變，為調(diào)整表面極化波的能帶圖拓撲提供了一條路徑。該結(jié)果證明了一種極化波現(xiàn)象，它在自然各向異性晶體中具有獨特的方式去調(diào)節(jié)納米尺度的光。

圖1 方解石晶體界面上的幽靈雙曲表面聲子極化

圖2 斜平面波照射下方解石表面紅外天線激發(fā)g-HPs的實空間成像

圖3 發(fā)射高度限制g-HPs用于平面定向和無衍射極化子傳播

圖4 方解石中極化子的可調(diào)諧雙曲性和拓撲轉(zhuǎn)變

雖然研究者在方解石中證明了g-HPs，但這些極化子同樣可以出現(xiàn)在其他天然各向異性晶體中，例如石英和藍寶石。該研究結(jié)果還表明，除了二維層狀范德華材料和雙曲型超材料外，傳統(tǒng)的塊狀各向異性晶體是探索奇異極化子各向異性的理想材料。由于三維的特性，塊狀各向異性晶體，在成像、生物傳感、光引導(dǎo)、信息傳輸、紅外偏振元件和深度亞波長尺度的非線性增強等方面，提供了支持和控制奇異極化波的額外手段。

文獻信息

Ma, W., Hu, G., Hu, D.?et al.?Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals.?Nature?596,?362–366 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1

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