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张应强华中科技大学(华中科技大学建议加入的团队)

张世龙2021年12月21日 20:17天道酬勤890

8月18日,《自然》 Nature刊登华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心wndll教授和张新亮教授研究小组的题为“GhosthyPerBolic Surface Polariton Sinbulkanisotro Picrystals”的研究论文。

wndll、张新亮教授团队与新加坡国立大学、国家纳米科学中心、纽约州立大学等机构合作,突破性地证明了传统双折射晶体中存在“幽灵”双曲极化激励电磁波。 该成果创新了极化激发子基础物理的《教科书》定义,对凝聚态物理、光物理、电磁学等领域的基础原创研究具有重要的指导意义。

图1 )展示方解石晶体中“幽灵”双曲线极化激发子各向异性传播的艺术形象

极化激子光学是当今凝聚态物理、光物理、材料科学等多学科交叉的前沿科学领域,也是我国传统优势研究方向之一。 玻尿酸(polaritons )是由光和物质的强耦合作用产生的“半光-半物质”准粒子,可以将光场的压缩聚焦在小尺度上,从而突破衍射极限,实现特异的微纳光学现象和重要的应用

1951年,我国着名的半导体物理学家黄昆先生提出了声子极化激发子的经典理论,开辟了这一重要的研究方向。 之后,根据材料种类的不同,陆续发现了不同性质的极化激子,如激子极化激子、等规极化激子等。 目前,这些不同类型的极化激子一般被归纳为两种传播模式。 沿材料界面传播的表面模式(surface polaritons )和沿材料内部传播的本体模式)。 两者的本质区别在于垂直材料界面方向,极化激子的dqdzt为纯虚数(表面模式)或纯实数)本体模式)。 wndll和张新亮团队的研究成果突破了对极化激子模式分类的固有认识,证明了各向异性方解石晶体中存在第三种极化激子模式——“幽灵”双曲极化激子(Ghost hyperbolic polaritons )。

图2是三种极化激子模式的特征电磁场模式分布的比较

(上)“幽灵”极化激子模式、(中)表面极化激子模式、)下)体极化激子模式

研究小组通过严格求解麦克斯韦方程组,证明了“幽灵”双曲极化激励器沿垂直表面方向的传播常数是复数的,证明了该方向上的电磁场传播表现出振动衰减的特性。 这个垂直界面的特殊电磁模式“振动衰减”,最初由普渡大学的Narimanov教授预测可以存在于各向异性介质中,将量子力学的研究领域的概念定义为光学领域(adv.Photonics 1,1-11, 扩展到2019 ),将该模式命名为“幽灵”电磁波) Ghost waves )的“幽灵”电磁波,据预测会产生负折射、超分辨率图像等多种奇怪现象,但这种特殊的电磁模式的存在尚未得到实验证明。

wndll和张新亮团队发现的“幽灵”极化激子是光场压缩能力更强的特殊亚波长“幽灵”电磁波。 他们发现教科书中经典的双折射材料——方解石晶体中存在“幽灵”极化激子。 理论预测与计算(如图2所示,研究小组发现,方解石晶体光轴与晶体界面有一定角度时,可以存在“幽灵”双曲极化激发子。 这种新型极化激子具有面内双曲型色散关系,表现出很强的各向异性传输特性。

研究小组采用光轴与平面相对角度为23.3的方解石晶体,以红外光照射的金纳米天线为局域光源,激发极化激子(如图3所示)。 通过散射式近场光学显微镜(s-SNOM ),实际空间表征了局域光源激发下“幽灵”双曲极化激子的各向异性传播特性。 实验得到的近场强度分布表明了具有特征的双曲偏振激子的模场分布,观测到了“幽灵”双曲偏振激子在天线右侧以高度局域辐射的形式传播。 “通道型射线”的传输距离只有20微米以上才能完全衰减,其传输距离远远高于二维材料中的极化子,这也反映了方解石中的“幽灵”双曲极化子有较低的损失。

图3 :证明“幽灵”极化激励器各向异性传播特性的近场成像实验

(左)实验示意图,(中)测量的“幽灵”极化激子高分辨率近场图像,)右) dqdzt空间分布图

另外,研究小组同时证明,改变双折射晶体的固有特性——光轴的方向可以调节极化激子的色散。 研究小组预测,除方解石晶体外,例如石英、氧化铝等许多常见双折射晶体可能存在这种性质优良的“幽灵”极化激子。 这项研究工作有力地证明了储量丰富、可大规模制造的极性晶体在微纳光学领域有很大的应用潜力,在红外光谱传感器、亚波长信息传输、超分辨率聚焦图像、纳米尺度辐射控制等许多方面具有重要的应用前景。

华中科技大学是本研究论文的第一通信机构,第一作者包括中国

中科技大学博士生cxddt,博士后英俊的大叔,新加坡国立大学博士后gxdmg,国家纳米科学中心执着的小蘑菇副研究员。华中科技大学wndll教授、张新亮教授、新加坡国立大学tmdym教授、国家纳米科学中心rxdxn研究员、纽约州立大学Andrea Alù教授为论文共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助。

此次研究突破是华中科技大学wndll研究团队在极化激元光学研究领域长期积累所取得的成果。目前,wndll教授课题组已在极化激元光学方向上以第一作者和通讯作者发表高水平研究成果多项,包括Science 1篇,Nature 2篇,Nature Materials 1篇,Nature Communications 2篇。

向不断取得突破的

华中科技大学

科研人

致敬!

来源:华中科技大学

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