光子作為一種“后摩爾時(shí)代”信息傳遞的理想載體之一，因其傳輸速度快、能耗低、容量高等優(yōu)勢(shì)而備受推崇。然而，光子本身不帶電荷，無(wú)法像電子那樣直接通過(guò)電學(xué)方式調(diào)控，且其波動(dòng)性會(huì)受到光學(xué)衍射極限的限制。因此，如何在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光子的高度局域和精確操控成為一個(gè)重要而具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。極化激元作為一種由光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準(zhǔn)粒子，憑借其光場(chǎng)局域性強(qiáng)和傳播損耗小的優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于構(gòu)建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質(zhì)中產(chǎn)生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無(wú)限大的波矢?jìng)鞑ィM(jìn)而把光場(chǎng)壓縮到無(wú)限小的尺度。

極化激元的激發(fā)和傳播與材料的對(duì)稱(chēng)性密切相關(guān)。最近的研究表明，在低對(duì)稱(chēng)單斜晶體中存在一種特殊的雙曲剪切極化激元（hyperbolic shear polaritons），由于單斜晶體介電常數(shù)張量的非對(duì)角化，其雙曲波前表現(xiàn)出明顯的鏡像對(duì)稱(chēng)破缺，進(jìn)一步增強(qiáng)了極化激元傳播的定向性。然而，低對(duì)稱(chēng)晶體存在著傳播損耗大的問(wèn)題，而傳統(tǒng)高對(duì)稱(chēng)性晶體中的本征雙曲極化激元又總呈現(xiàn)出鏡像對(duì)稱(chēng)性，這些因素都不利于實(shí)現(xiàn)極化激元的高效定向傳播。

針對(duì)上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)張新亮、李培寧團(tuán)隊(duì)與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）戴志高教授合作，提出了一種通過(guò)控制激發(fā)源的極化特性打破雙曲極化激元鏡像對(duì)稱(chēng)性，實(shí)現(xiàn)納米尺度光場(chǎng)定向傳輸?shù)男虏呗浴?/span>

他們通過(guò)研究近場(chǎng)激發(fā)源對(duì)面內(nèi)雙曲極化激元的影響機(jī)制，從理論和實(shí)驗(yàn)上證明：在不依賴(lài)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性條件下，可以通過(guò)面內(nèi)偶極矩直接誘發(fā)雙曲材料中對(duì)稱(chēng)破缺的雙曲極化激元，從而實(shí)現(xiàn)雙曲極化激元在高對(duì)稱(chēng)晶體中低損耗和低對(duì)稱(chēng)晶體中高定向的優(yōu)勢(shì)融合。

該工作以“Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons”為題發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight。本論文的共同第一作者為華中科技大學(xué)博士研究生胡才星、孫甜和博士后曾穎，本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、湖北省自然科學(xué)基金和武漢光電國(guó)家研究中心創(chuàng)新基金的資助。

在本工作中，如圖1a所示，作者延續(xù)前期發(fā)現(xiàn)的低損耗、高對(duì)稱(chēng)的方解石（CaCO3）晶體作為優(yōu)良的雙曲極化激元觀測(cè)平臺(tái)，并利用電子束光刻工藝在其表面制備高質(zhì)量的納米尺寸金圓盤(pán)天線。如圖1a和b所示，在p偏振的平面波對(duì)金屬圓盤(pán)的極化作用下，圓盤(pán)中產(chǎn)生面內(nèi)電偶極矩，進(jìn)一步激發(fā)方解石晶體中的雙曲極化激元。作者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)施加不同線偏振狀態(tài)的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波激勵(lì)，可以調(diào)控電偶極矩的面內(nèi)極化方向，進(jìn)而直接影響雙曲極化激元近場(chǎng)強(qiáng)度分布的對(duì)稱(chēng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)這種調(diào)控手段，可以在高對(duì)稱(chēng)晶體方解石中實(shí)現(xiàn)雙曲極化激元對(duì)稱(chēng)/非對(duì)稱(chēng)的自由切換（圖1c和d）。而且，相較于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，雙曲極化激元在對(duì)稱(chēng)破缺狀態(tài)下的能量定向傳輸效率明顯提高（圖1e）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在較寬的頻率范圍內(nèi)，可以精確控制雙曲極化激元的對(duì)稱(chēng)破缺傳播。

圖1：光學(xué)偶極子天線激發(fā)和調(diào)控非對(duì)稱(chēng)雙曲極化激元。 （a）近場(chǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖；（b）金圓盤(pán)天線上偶極電場(chǎng)相位分布的近場(chǎng)圖像；不同電偶極矩方向下，方解石晶體中對(duì)稱(chēng)（c）和對(duì)稱(chēng)破缺（d）的雙曲極化激元的仿真結(jié)果（左圖）和近場(chǎng)成像（右圖）；（e）從仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)虛線位置提取出的非對(duì)稱(chēng)振幅對(duì)比圖

為解釋這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)在考慮動(dòng)量守恒的同時(shí)，建立理論模型來(lái)描述 水平電偶極子 角譜分布與雙曲等頻線之間的作用關(guān)系，如圖2所示。可以看出，鏡像對(duì)稱(chēng)破缺的雙曲極化激元（圖2c）本質(zhì)上是由其面內(nèi)電偶極矩激發(fā)的非對(duì)稱(chēng)源場(chǎng)分布（圖2a）導(dǎo)致，而不依賴(lài)于面內(nèi)各向異性材料的本征雙曲色散屬性（圖2b）。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可拓展到不同類(lèi)型的極化激元體系中（例如等離極化激元等）。作者還討論了不同類(lèi)型的點(diǎn)源對(duì)雙曲極化激元傳播定向性的影響。

圖2：激發(fā)源與面內(nèi)各向異性介質(zhì)相互作用導(dǎo)致極化激元對(duì)稱(chēng)破缺。（a）計(jì)算水平電偶極子動(dòng)量空間的角譜分布（黃色虛線處場(chǎng)源強(qiáng)度為零）。（b）高對(duì)稱(chēng)晶體中的雙曲等頻線。（c）源場(chǎng)與雙曲等頻線的相互作用。當(dāng)黃色虛線與雙曲等頻線的漸近線重合時(shí)（即電偶極矩垂直于雙曲漸近線），雙曲極化激元的非對(duì)稱(chēng)程度最大（紅色點(diǎn)線代表雙曲等頻線上未被激發(fā)的模式）。

本研究提出的場(chǎng)源調(diào)控手段簡(jiǎn)單易調(diào)，為納米尺度下的光傳導(dǎo)提供了一種新的操縱方法，有望應(yīng)用于光調(diào)制微納波導(dǎo)、光開(kāi)關(guān)、光隔離器等新型集成光子學(xué)器件，推動(dòng)光計(jì)算、光傳感和量子光學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)光電器件小型化的同時(shí)，還易于和其他調(diào)控手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)極化激元的多物理場(chǎng)調(diào)控。

  論文信息  

Hu, C., Sun, T., Zeng, Y. et al. Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons.eLight 3, 14 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00047-1

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編輯：孫婷婷、趙陽(yáng)

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文章來(lái)源：中國(guó)光學(xué)