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传播更精准!科学家首次观测到“鬼极化子”,可实现对红外纳米光的高效控制

一个国际研究小组在《自然》杂志上报道了对“鬼极化子”(ghost polaritons)的首次观测。“鬼极化子”是一种新的表面电磁波形式,携带纳米尺度的光,与材料振荡强烈耦合,具有高度准直的传播特性。

研究小组在一种常见的材料方解石上观察到这些现象,并展示了鬼极化子如何在传感、信号处理、能量收集和其他技术中促进对红外纳米光的高效控制。

近年来,红外和太赫兹频率的纳米光子学在生物分子和化学诊断、传感器、通信和其他应用中成为高灵敏度、超紧凑和低损耗技术的重要组成部分。

纳米材料平台可以促进在这些频率下增强光物质相互作用,这对这些技术来说是必不可少的。

最近的工作是使用低维范德华材料,如石墨烯、六方氮化硼和α相三氧化钼(α-MoO3, Nature 2018),因为它们在纳米尺度上对受限光的高度奇异响应。然而,这些新兴的纳米材料需要苛刻的纳米制造技术,阻碍了大规模的纳米光子技术。

近日,一个国际团队在《自然》杂志上报道称,方解石(calcite)——一种常见的在其他技术中使用的大块晶体——可以自然支持鬼极化子。

该团队探索了光与方解石的相互作用,并发现了意想不到的红外声子极化子反应。他们证明——方解石,可以很容易地抛光,可以支持鬼极化子表面波,其特征是复杂的,且平面外动量完全不同于任何迄今为止观察到的表面极化子。

“极化学是一种利用光与物质的强相互作用的科学和技术,它在过去几年里给光学科学带来了革命性的变化,”研究人员Andrea Alù表示:“我们的发现是激动人心的科学和令人惊讶的物理学的最新例子,可以从探索方解石等传统材料中的极化子中出现。”

“我们使用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)来探测这些鬼极化子,”论文第一作者Weiliang Ma表示:“令人兴奋的是,我们已经展示了类射线纳米光的传播,可以达到20微米,这是室温下极化波传播距离的记录。”

“我们非常激动地发现了麦克斯韦方程组具有复杂的平面外动量的新解。更令人兴奋的是,我们已经能够在一个非常普通的晶体中观察到它。”该论文的共同第一作者Guangwei Hu表示。

“这种类型的极化子可以通过它们的光轴进行调谐,引入了一种操纵极化子的新方法,”新加坡国立大学院长讲座教授邱成伟(Cheng-Wei Qiu)说。“我们相信,我们的发现将刺激对纳米级光操纵的各种光学晶体的探索。”

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