“幽靈”雙曲極化激元被證明 極性晶體應用前景廣泛

8月18日，華中科技大學光學與電子信息學院(武漢國家光電研究中心)李培寧、張新亮教授研究團隊在《自然》刊文，該團隊同一些國外單位合作，突破性證明了傳統(tǒng)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(chǔ)物理的“教科書”定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學等領(lǐng)域的基礎(chǔ)原創(chuàng)研究有重要指導意義。

極化激元光學是目前凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領(lǐng)域，也是我國傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向之一。

據(jù)介紹，極化激元是光和物質(zhì)強耦合作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準粒子，能將光場壓縮聚焦至很小尺度，從而突破衍射極限，實現(xiàn)奇異的微納光學現(xiàn)象和重要應用。1951年，我國著名半導體物理學家黃昆先生提出聲子極化激元的經(jīng)典理論，開辟了這一重要研究方向。隨后，根據(jù)材料種類不同，不同性質(zhì)的極化激元相繼被發(fā)現(xiàn)。

目前，不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式，即沿著材料界面?zhèn)鞑サ谋砻婺Ｊ胶驮诓牧蟽?nèi)部傳播的體模式。而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的固有認識，證明了在各向異性方解石晶體中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元。

長期以來，“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(xiàn)象，但這種特殊電磁模式的存在一直沒有得到實驗證明。

李培寧和張新亮團隊發(fā)現(xiàn)的“幽靈”極化激元是光場壓縮能力更強的一種特殊的亞波長“幽靈”電磁波。團隊發(fā)現(xiàn)教科書中的經(jīng)典雙折射材料——方解石晶體存在“幽靈”極化激元，通過理論預測及計算，發(fā)現(xiàn)當方解石晶體的光軸和晶體界面存在一定夾角時，就可存在“幽靈”雙曲極化激元。這種新型極化激元具有面內(nèi)雙曲型色散關(guān)系，表現(xiàn)出強各向異性的傳輸特性。

此外，該團隊同時證明了能夠通過改變雙折射晶體內(nèi)稟的屬性——光軸的朝向來調(diào)節(jié)極化激元色散。除方解石晶體以外，團隊預測石英、氧化鋁等眾多常見的雙折射晶體中可能存在這種性質(zhì)優(yōu)異的“幽靈”極化激元。

據(jù)悉，該研究有力證明了儲量豐富、可大規(guī)模制備的極性晶體在微納光學領(lǐng)域具有極大的應用潛力，在紅外光譜傳感、亞波長信息傳遞、超分辨聚焦成像、納米尺度輻射調(diào)控等方面有廣泛應用前景。(記者劉志偉吳純新通訊員冀嫻賢)

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