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物理学院张庆副教授在Science子刊上发表科研成果
文:张庆 图:张庆 来源:物理学院 时间:2022-08-02 5102

  近日,电子科技大学物理学院光场调控团队张庆副教授及合作者以“Unidirectionally excited phonon polaritons in high-symmetry orthorhombic crystals”为题,在Science Advances上发表论文。张庆副教授作为该论文的第一作者,电子科技大学为该论文第一作者单位。合作者包括物理学院光场调控团队负责人杨元杰研究员,澳大利亚蒙纳士大学欧清东博士、纽约城市大学Andrea Alù教授、西班牙CIC nanoGUNE研究所Rainer Hillenbrand教授、新加坡国立大学仇成伟教授。

  长期以来,在二维平面内操控光子,从而开发集成化和小型化的片上光电器件、高速低耗的光子芯片一直是纳米光子学界的强烈追求。近年来出现的二维层状范德瓦尔斯(vdW)材料,在实现从可见光到太赫兹光谱范围的纳米尺度(甚至原子尺度)光场操纵表现出巨大潜力,它们在二维平面内支持准粒子—光与物质(电子、声子、激子等)的耦合激发,被称为vdW极化激元。相比于传统金属表面等离激元,vdW极化激元表现出超长寿命、低损耗和纳米尺度的光场限域能力。鉴于vdW极化激元的重要性,2021年9月,张庆副教授及合作者在Nature上发表了题为“Interface nano-optics with van der Waals polaritons”的Review论文[Nature 597, 187 (2021)],首次提出“界面极化激元光学”概念,并全面综述了当下最先进的vdW极化激元操控手段,包括片上的折射光学、超表面光学、和moiré工程等界面光学技术。

  目前基于折射光学的面内调控已经得到了初步发展,但这方面的研究还远远不够,仅能实现一些偏折、聚焦等简单功能。既然已经能够利用透镜实现vdW极化激元的聚焦折射,那么是否可以利用多个周期性结构单元实现vdW极化激元的面内衍射效应?衍射光学在分光和波前操控等领域具有重要的科学意义和应用前景,而具有亚波长周期性阵列结构(例如光栅等)的二维vdW极化激元衍射光学元件尚未被系统研究。因此,如何建立基于vdW极化激元的面内衍射光学成为当前研究重点与难点。此外,天然极性晶体中的低损耗声子极化激元通常具备极端各项异性,特别是在正交晶体中发现的面内双曲声子极化激元,如α-MoO3 [Nature 562, 557 (2018)]和α-V2O5 [Nat. Mater. 19, 964 (2020)],支持长寿命、远距离、类射线的超高约束场传播(如图1A所示)。晶体的物理性质由晶格对称性决定,因此在这种对称性较高的正交晶体中,光子以四束镜像对称光束对称传播。就在前不久,不对称的剪切声子极化激元在低对称的单斜晶体中被报道 [Nature 602, 595,2022],其所具备的倾斜的极化激元波前,打破了镜像对称性,但仍然保留了旋转对称性。

  张庆副教授与合作者通过对高对称正交晶体进行图案化,反直觉地构建出不对称以及单向声子极化激元的激发与传播,彻底打破了镜像对称性和旋转对称性,作者将其称为结构极化激元(Structured Polaritons)。通过直接在α-MoO3正交晶体上刻蚀一维线型光栅(如图1B、C所示),理论预测并实验证明了周期光栅和面内各向异性之间的相互作用可以打破极化激元光栅衍射中动量匹配的对称性,从而实现声子极化激元的不对称衍射,甚至只在光栅一侧传播,即单向衍射(图2)。

Fig. 1.jpg

图1  高对称正交晶体中声子极化激元极端不对称(即单向)衍射

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图2  近场成像观测光栅激发的声子极化激元及其单向衍射

  极化激元的单向激发是各种片上光电技术的关键。单向表面等离激元、能谷激子激元已经通过控制光学自旋-轨道耦合实现。然而,等离激元通常遭受高光学损耗,谷激子激元在室温下寿命短,两者都很难实现片上光信息的远程传输。单向声子极化激元具有克服上述缺点的可能性,而此前尚未有报导。此工作协同光栅的物理与vdW材料的极端各向异性,使声子极化激元的复杂控制成为可能,释放了巨大的应用潜力,为未来声子极化激元的高级操作和极端控制迈出了崭新的一步。这一概念可以很容易地推广到其他频率范围和其他各向异性极性晶体材料。作者预见除了光栅与晶体夹角之外,其他参数(或自由度),包括入射角、偏振和光栅几何结构,都可以用来进一步控制极化激元的衍射。极化激元光栅衍射技术必将进一步推动极化激元界面纳米光学领域的快速发展。

  Science Advances是Science系列唯一一本综合类子刊,中科院1区,最新期刊影响因子为14.972。学术领域包括计算机、工程、环境、生命、数学、物理以及社会科学的综合性科学刊物,旨在提供一个顶级的科学研究出版平台,发表在整个科学研究领域的高水平且在相关领域有重要进展的研究工作。


  论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9774

  《中国光学》报道:https://mp.weixin.qq.com/s/QzYydRw_ZSKkaOyKZXDjrA


编辑:李文云  / 审核:林坤  / 发布:陈伟