近日，國際頂級期刊《自然》刊發(fā)了華中科技大學(xué)武漢國家光電研究中心/光學(xué)與電子信息學(xué)院李培寧教授和張新亮教授研究團(tuán)隊題為《Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals》的研究論文。李培寧、張新亮教授團(tuán)隊同新加坡國立大學(xué)、國家納米科學(xué)中心、紐約州立大學(xué)等單位合作，突破性證明了傳統(tǒng)的雙折射晶體中存在“幽靈”雙曲極化激元電磁波，該成果革新了極化激元基礎(chǔ)物理的“教科書”定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)原創(chuàng)研究具有重要指導(dǎo)意義。

       極化激元光學(xué)是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)領(lǐng)域，也是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向之一。極化激元（polaritons）是光和物質(zhì)強耦合作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準(zhǔn)粒子，能夠?qū)⒐鈭鰤嚎s聚焦到很小的尺度，從而突破衍射極限，實現(xiàn)奇異的微納光學(xué)現(xiàn)象和重要應(yīng)用。早在1951年，我國著名半導(dǎo)體物理學(xué)家黃昆先生就提出聲子極化激元的經(jīng)典理論，開辟了這一重要研究方向。隨后，根據(jù)材料種類的不同，不同性質(zhì)的極化激元（如，激子極化激元、等離極化激元等）相繼被發(fā)現(xiàn)。目前，這些不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面?zhèn)鞑サ谋砻婺Ｊ剑╯urfacpolaritons）和在材料內(nèi)部傳播的體模式(volume polaritons)。二者的本質(zhì)區(qū)別在于垂直材料界面方向，極化激元的波矢為純虛數(shù)（表面模式）或純實數(shù)（體模式）。李培寧和張新亮團(tuán)隊的研究成果突破了極化激元模式分類的固有認(rèn)識，證明了在各向異性的方解石晶體中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元（Ghost hyperbolic polaritons）。 
“幽靈”電磁波被預(yù)測可產(chǎn)生負(fù)折射、超分辨成像等多種奇特現(xiàn)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(tuán)隊發(fā)現(xiàn)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。他們發(fā)現(xiàn)教科書中的經(jīng)典雙折射材料——方解石晶體就存在“幽靈”極化激元。通過理論預(yù)測及計算，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)方解石晶體的光軸和晶體界面存在一定的夾角時，就可存在“幽靈”雙曲極化激元。這種新型的極化激元具有面內(nèi)雙曲型色散關(guān)系，表現(xiàn)出強各向異性的傳輸特性。 

展示方解石晶體中“幽靈”雙曲極化激元各向異性傳播的示意圖

      此外，研究團(tuán)隊同時證明了能夠通過改變雙折射晶體內(nèi)稟的屬性——光軸的朝向來調(diào)節(jié)極化激元的色散。除了方解石晶體以外，研究團(tuán)隊也預(yù)測例如石英，氧化鋁等眾多常見的雙折射晶體中都可能存在這種性質(zhì)優(yōu)異的“幽靈”極化激元。此項研究工作也有力證明了儲量豐富，可大規(guī)模制備的極性晶體在微納光學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)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(diào)控等諸多方面都有著重要的應(yīng)用前景。 

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