北理工團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology發(fā)表綜述論文
發(fā)布日期：2025-12-31 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、李家方教授、段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授團(tuán)隊(duì)合作，受主編Alberto Moscatelli博士邀請(qǐng)，在《自然》子刊Nature Nanotechnology上發(fā)表綜述論文，預(yù)言了各向異性材料中可能存在的新奇光學(xué)現(xiàn)象，總結(jié)了納米尺度上光場(chǎng)能量傳播調(diào)控策略及其在納米光子學(xué)器件中的應(yīng)用前景，展望了強(qiáng)各向異性材料走向?qū)嶋H器件應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。
極化激元是一種光與物質(zhì)中偶極振蕩強(qiáng)耦合形成的特殊電磁模式，具有半光半物質(zhì)屬性。近年來(lái)多項(xiàng)研究工作表明極化激元為納米尺度光場(chǎng)能量操控提供了有效途徑。值得指出的是，強(qiáng)各向異性材料中極化激元的傳播行為（折射、反射、干涉等）往往違背各向同性材料中的傳統(tǒng)光學(xué)定律（如斯涅爾折射定律和反射定律等），表現(xiàn)出許多反常的光學(xué)現(xiàn)象。理解這些現(xiàn)象有望在納米尺度上實(shí)現(xiàn)前所未有的光場(chǎng)調(diào)控能力，解決集成光子學(xué)中器件小型化與性能損耗之間的矛盾，開(kāi)啟全新的光與物質(zhì)相互作用物理圖景。
內(nèi)容1：強(qiáng)各向異性極化激元新奇光學(xué)現(xiàn)象及其物理機(jī)制揭示
研究表明各向異性材料中極化激元的折射與反射行為異于傳統(tǒng)認(rèn)知，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的斯涅爾折射定律和反射定律。例如“負(fù)折射”現(xiàn)象（即折射能流與入射能流位于界面法線(xiàn)的同一側(cè)）、“無(wú)彎曲折射”現(xiàn)象（極化激元波穿越界面時(shí)方向幾乎不變）等。在反射方面，除了常規(guī)的鏡面反射，在雙曲材料中還存在“負(fù)反射”和特定入射角下的“無(wú)反射”現(xiàn)象。在干涉聚焦方面，線(xiàn)性色散極化激元可實(shí)現(xiàn)中紅外光場(chǎng)的納米聚焦，突破衍射極限。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的根本原因在于各向異性材料中極化激元波矢隨晶體方向變化，且波矢與波印廷矢量（能流方向）非共線(xiàn)。
圖1 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的反常折射現(xiàn)象
圖2 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的反常反射現(xiàn)象
圖3 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的納米聚焦現(xiàn)象
內(nèi)容2：強(qiáng)各向異性極化激元調(diào)控策略
論文總結(jié)了針對(duì)這些奇異極化激元的操控手段，例如通過(guò)改變材料厚度、納米結(jié)構(gòu)、原子插層或同位素富集來(lái)調(diào)控材料本征光學(xué)響應(yīng)；制備范德瓦爾斯疊層結(jié)構(gòu)并控制其層間扭轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角光子學(xué)）實(shí)現(xiàn)極化激元光學(xué)拓?fù)湫再|(zhì)調(diào)控；通過(guò)改變局域介電環(huán)境、外加物理場(chǎng)、改變溫度或通過(guò)光學(xué)激勵(lì)等手段實(shí)現(xiàn)極化激元光電物性的動(dòng)態(tài)調(diào)控等。
內(nèi)容3：強(qiáng)各向異性極化激元面向未來(lái)納米光子學(xué)的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)
基于上述新奇光學(xué)現(xiàn)象與調(diào)控手段，論文展望了極化激元在多個(gè)領(lǐng)域的變革性應(yīng)用潛力，例如在納米波導(dǎo)和能量傳輸方面，極化激元渠道化傳播為實(shí)現(xiàn)低損耗片上光互聯(lián)和納米尺度高效熱管理提供了新途徑。再比如，在光場(chǎng)局域方面，雙曲極化激元高動(dòng)量模式能將光場(chǎng)壓縮至極小體積，極大增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，為高靈敏度紅外分子傳感、探測(cè)和強(qiáng)耦合研究提供了理想平臺(tái)。盡管前景廣闊，論文也指出極化激元領(lǐng)域在多功能納米光學(xué)器件設(shè)計(jì)（如路由器、邏輯門(mén)、偏振器等）、克服高傳播損耗、以及利用人工智能進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)等方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是未來(lái)極化激元器件走向?qū)嶋H應(yīng)用必須攻克的難題。
圖4 強(qiáng)各向異性極化激元的應(yīng)用前景
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