戴庆课题组及其合作团队在表面声子激元成像表征方面取得重要进展

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近日，由国家纳米科学中心戴庆研究员、华中科技大学李培宁和张新亮教授、新加坡国立大学仇成伟教授及纽约州立大学Andrea Alù教授组成的联合研究团队在表面声子激元成像表征方面取得重要进展，通过实验发现了一种新的声子激元“幽灵”模式。相关研究成果以“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”为题发表于《自然》杂志(Nature 2021, 596, 362）。
       表面声子激元是一种存在于极性晶体材料表界面上的特殊电磁模式，具有半光子-半声子的准粒子属性，可以实现高效的纳米尺度光压缩，在涉及光与物质相互作用的诸多领域具有广泛的应用前景。该模式存在的必要条件是在其传播方向上材料的介电函数实部为负，这一般只能在材料的“剩余射线带”（即晶格振动导致的离子极化占主导地位的中远红外波段）得到满足，由此表面声子激元的研究高度依赖于红外表征技术。在上个世纪60-70年代研究人员通过远场红外技术证实了声子极化激元模式的存在并验证了理论预测的色散特性。但由于当时缺少具有高空间分辨能力的红外表征技术，研究人员难以获得表面声子激元的模式分布信息，更无法实现对表面声子激元的调控。

图1. 方解石“幽灵”声子激元的实验及理论研究：A.方解石声子激元的频率及光轴色散特性；B. 方解石“幽灵”声子激元的模式分布

       近年来，近场光学表征技术尤其是散射型扫描近场光学显微术（s-SNOM）的发展以及新型低维纳米材料尤其是范德华晶体的兴起给表面声子激元的表征和调控研究带来了新的机遇。已有研究表明在新型范德华晶体中存在两种声子激元模式：单一界面约束的表面模式（图1B）和双界面约束的波导模式（或称体模式，图1B）。其中表面模式的光场限域性较差但易于激发，而体模式光场限域性较好但难于激发，因而这两种模式的特性都不够理想，寻找一种能够结合两者优势的声子激元新模式成为本研究领域的下一个突破口。此前有理论研究预测与晶体光轴成一定夹角的晶面可以支持新的声子激元模式。然而，限于范德华晶体的层状属性，其晶面调控难以实现。有鉴于此，研究团队回归传统晶体材料方解石，不仅通过近场实验证实了表面声子激元晶面调控的可行性，还进一步结合理论分析揭示了一种集高光场限域和易激发优势于一身的新型声子激元“幽灵”模式的存在。
       具体地，在本工作中研究团队首先利用s-SNOM系统地研究了光轴倾角为23.3°的方解石晶面所支持的声子激元模式（图1A），证明了其面内各向异性和远程传播特性（传输距离大于20微米），描绘了其频率色散特性；其次，借助晶面调控实验观测了方解石声子激元的面内各向异性由双曲到椭圆的拓扑转变过程（图1A）；最后，结合理论分析和电磁仿真论证了实验观测到的声子激元在方解石内部的法向波矢为复数，其在界面法向兼具行波和消逝波的特征（图1B），是一种处于亚稳态的准模式，故而可称为“幽灵”模式。该模式自晶体表面向晶体内部扩散的过程与金属中电子自表面态向体态隧穿的过程及漏模波导中导模向衬底泄露的过程异曲同工，都是波动方程的准静态解随时间演化的结果。该工作表明以方解石为代表的传统光学材料也可能蕴含新现象，在纳米光子学领域具有用武之地；尤其是“幽灵”模式在晶体内部的行波特性直接预示着该模式可由来自晶体一侧的远场红外光直接激发而无需借助光学天线，这就给声子激元的激发提供了新的途径，为新型红外光子器件的设计带来了便利。
       戴庆课题组长期致力于纳米光子学材料、器件及相应表征技术的研究。前期利用s-SNOM先后完成了石墨烯/氮化硼异质结等离-声子杂化激元模式成像（Adv Mater 2016, 28, 2931）、范德华材料光学各向异性的定量表征（Nat Commun 2017, 8, 1471）及范德华波导泄露模式的观测（Adv Mater 2019, 31, 1807788）等特色工作，在近场光学实验领域积累了丰富的经验，因而承担了本次联合攻关的相关实验表征工作。胡德波副研究员是论文的共同第一作者，戴庆研究员是共同通讯作者，国家纳米科学中心是共同通讯单位。本研究工作得到了基金委国家杰出青年科学基金项目（51925203）及青年科学基金项目（11704085）的支持。
       相关论文的第一作者还包括华中科技大学博士研究生马玮良，博士后陈闰堃，新加坡国立大学博士后胡光维；通讯作者还包括华中科技大学李培宁和张新亮教授、新加坡国立大学仇成伟教授、纽约州立大学Andrea Alù教授。华中科技大学是本研究论文的第一通讯单位。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1。


        文章来源：国家纳米科学中心
       戴庆，国家纳米科学中心研究员，博士生导师 。2003-2007年在英国帝国理工大学电子工程系获得学士、硕士学位，2011年在英国剑桥大学工程系获得博士学位，之后在英国剑桥大学光电子研究中心从事低维纳米材料的光电特性及器件的博士后研究工作。2012年当选剑桥大学Wolfson学院Junior Research Fellow，同年5月加入国家纳米科学中心。2014年获得中科院卢嘉锡青年人才奖。目前主要从事纳米尺度光电调控与器件研究，电控光-基于石墨烯等离激元的新型纳米光子器件的构筑与性能调制，光控电-光辅助碳纳米管场发射的物理机制与高性能X光源设计等方面的研究工作。已在Nature Communications，Advanced Materials，Small，Nanoscale，Nanotechnology和Applied Physics Letters等国际学术期刊上发表论文40余篇，申请发明专利20余项。          李培宁，华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心教授、博士生导师。博士毕业于德国亚琛工业大学，西班牙CIC Nanogune研究中心“欧盟玛丽居里学者”博士后。近年来高水平论文包括：Science 1篇、 Nature 3篇、 Nature Materials 1篇、Nature Photonics 1篇、Nature Communications 4篇、Light: Science & Applications 1篇、Advanced Materials 1篇、Nano Letters 4篇、ACS Nano 1篇。研究成果被Science、Nature、Nature Materials、ACS Nano、IEEE Spectrum、Laser Focus World等亮点评论推荐，研究成果入选“2018年中国光学十大进展”（基础研究类）。得到多项荣誉和奖励的肯定，如“2014年度国家优秀自费留学生奖学金”、“2015年度欧盟玛丽居里学者奖”等。主持和参与多项重要科研项目，目前作为负责人承担国家面上自然科学基金和装发部研究项目，曾主持欧盟“玛丽居里学者”研究课题，并作为主要研究人员参与“欧盟地平线Horizon 2020：石墨烯研究旗舰计划”、“德国科研振兴计划”等多项重要课题。
        张新亮，男，博士，教授，博士生导师。1971年10月生于湖北省黄梅县，1992年在华中理工大学获学士学位，2001年6月在华中科技大学（华中理工大学）获物理电子学博士学位。先后入选武汉市青年晨光人才、教育部新世纪优秀人才、湖北省杰出青年基金、国家杰出青年基金、中组部万人计划创新领军人才、教育部长江学者特聘教授（2017）等计划，是美国光学学会Fellow。在学术兼职方面，现任中国光学学会常务理事、湖北省仪器仪表学会理事长、国务院光学工程学科评议组成员和教育部”光电信息科学与工程”专业分教指委副主任，担任《Frontiers of Optoelectronics》期刊共主编，《Photonics Research》和《Photonics Journal》副编辑。在公共事务方面，2012年6月至2019年1月曾任华中科技大学光学与电子信息学院院长，2016年3月至2019年1月曾任武汉光电国家研究中心副主任，现任华中科技大学副校长。在科学研究方面，长期从事光电子器件与集成方面的研究工作，先后主持国家863计划、973计划课题、国家杰出青年基金项目、基金委重大国际合作项目、基金委重点基金项目、基金委重大科学仪器研制项目、国家重点研发计划项目等，发表了国际主流期刊论文350篇以上，发表论文被Web of Science引用超过6000次，Google Scolar统计引用超过8000次，先后主持和参与获得省部级自然科学一等奖4项，授权发明专利16项。