科研團隊在極化激元光學(xué)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

       近日，國際頂級期刊《自然》刊發(fā)了華中科技大學(xué)武漢國家光電研究中心/光學(xué)與電子信息學(xué)院李培寧教授和張新亮教授研究團隊題為《Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals》的研究論文。李培寧、張新亮教授團隊同新加坡國立大學(xué)、國家納米科學(xué)中心、紐約州立大學(xué)等單位合作，突破性證明了傳統的雙折射晶體中存在“幽靈”雙曲極化激元電磁波，該成果革新了極化激元基礎物理的“教科書(shū)”定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學(xué)等領(lǐng)域的基礎原創(chuàng )研究具有重要指導意義。

       極化激元光學(xué)是當今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)領(lǐng)域，也是我國的傳統優(yōu)勢研究方向之一。極化激元（polaritons）是光和物質(zhì)強耦合作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準粒子，能夠將光場(chǎng)壓縮聚焦到很小的尺度，從而突破衍射極限，實(shí)現奇異的微納光學(xué)現象和重要應用。早在1951年，我國著(zhù)名半導體物理學(xué)家黃昆先生就提出聲子極化激元的經(jīng)典理論，開(kāi)辟了這一重要研究方向。隨后，根據材料種類(lèi)的不同，不同性質(zhì)的極化激元（如，激子極化激元、等離極化激元等）相繼被發(fā)現。目前，這些不同種類(lèi)的極化激元一般被歸納為兩類(lèi)傳播模式：沿著(zhù)材料界面傳播的表面模式（surfacpolaritons）和在材料內部傳播的體模式(volume polaritons)。二者的本質(zhì)區別在于垂直材料界面方向，極化激元的波矢為純虛數（表面模式）或純實(shí)數（體模式）。李培寧和張新亮團隊的研究成果突破了極化激元模式分類(lèi)的固有認識，證明了在各向異性的方解石晶體中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元（Ghost hyperbolic polaritons）。 
“幽靈”電磁波被預測可產(chǎn)生負折射、超分辨成像等多種奇特現象，但這種特殊電磁模式的存在一直沒(méi)有得到實(shí)驗證明。李培寧和張新亮團隊發(fā)現的“幽靈”極化激元是光場(chǎng)壓縮能力更強的一種特殊的亞波長(cháng)“幽靈”電磁波。他們發(fā)現教科書(shū)中的經(jīng)典雙折射材料——方解石晶體就存在“幽靈”極化激元。通過(guò)理論預測及計算，研究團隊發(fā)現當方解石晶體的光軸和晶體界面存在一定的夾角時(shí)，就可存在“幽靈”雙曲極化激元。這種新型的極化激元具有面內雙曲型色散關(guān)系，表現出強各向異性的傳輸特性。 

展示方解石晶體中“幽靈”雙曲極化激元各向異性傳播的示意圖

      此外，研究團隊同時(shí)證明了能夠通過(guò)改變雙折射晶體內稟的屬性——光軸的朝向來(lái)調節極化激元的色散。除了方解石晶體以外，研究團隊也預測例如石英，氧化鋁等眾多常見(jiàn)的雙折射晶體中都可能存在這種性質(zhì)優(yōu)異的“幽靈”極化激元。此項研究工作也有力證明了儲量豐富，可大規模制備的極性晶體在微納光學(xué)領(lǐng)域具有極大的應用潛力，在紅外光譜傳感，亞波長(cháng)信息傳遞，超分辨聚焦成像，納米尺度輻射調控等諸多方面都有著(zhù)重要的應用前景。 

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