“幽靈”雙曲極化激元被證明 革新了極化激元基礎(chǔ)物理的“教科書”定義

8月18日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院(武漢國家光電研究中心)李培寧、張新亮教授研究團(tuán)隊在《自然》刊文，該團(tuán)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(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)原創(chuàng)研究有重要指導(dǎo)意義。

極化激元光學(xué)是目前凝聚態(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(zhǔn)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(xué)現(xiàn)象和重要應(yīng)用。1951年，我國著名半導(dǎo)體物理學(xué)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(tuán)隊的研究成果突破了極化激元模式分類的固有認(rèn)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(yù)測可產(chǎn)生負(fù)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(tuán)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(tuán)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(yù)測及計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(tuán)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(tuán)隊預(yù)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(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)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(yīng)用前景。