“幽靈”雙曲極化激元被證明 革新了極化激元基礎物理的“教科書”定義

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”定義，對凝聚態物理、光物理、電磁學等領域的基礎原創研究有重要指導意義。

極化激元光學是目前凝聚態物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領域，也是我國傳統優勢研究方向之一。

據介紹，極化激元是光和物質強耦合作用產生的“半光-半物質”準粒子，能將光場壓縮聚焦至很小尺度，從而突破衍射極限，實現奇異的微納光學現象和重要應用。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典理論，開辟了這一重要研究方向。隨后，根據材料種類不同，不同性質的極化激元相繼被發現。

目前，不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式，即沿著材料界面傳播的表面模式和在材料內部傳播的體模式。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有得到實驗證明。

李培寧和張新亮團隊發現的“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。團隊發現教科書中的經典雙折射材料——方解石晶體存在“幽靈”極化激元，通過理論預測及計算，發現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雙曲型色散關系，表現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稟的屬性——光軸的朝向來調節極化激元色散。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優異的“幽靈”極化激元。

據悉，該研究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領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、納米尺度輻射調控等方面有廣泛應用前景。