2021年8月28日消息,一个国际团队在《自然》杂志上报道了对鬼极化子的首次观察,这是一种新形式的表面波,携带纳米级光与材料振荡强烈耦合,并具有高度准直的传播特性。研究小组通过一种常见材料:方解石,观察到了这些现象,并展示了鬼极化子如何促进对红外纳米光的卓越控制,用于传感、信号处理、能量收集和其他技术。


重大突破!新型红外极化子可控制红外纳米光,将被用于传感、信号处理、能量收集

鬼极化子在方解石表面上远离点源传播的图示。图片来源:马伟良/华中科技大学


近年来,红外和太赫兹频率的纳米光子学对于用于生物分子和化学诊断、传感器、通信和其他应用的高灵敏度、超紧凑和低损耗技术变得重要。可以促进在这些频率下增强光与物质相互作用的纳米材料平台已成为这些技术的必要条件。最近的工作一直在使用低维范德华材料,例如石墨烯、六方氮化硼和 α 相三氧化钼 (α-MoO3,Nature 2018),因为它们对纳米级的受限光具有高度奇特的响应。然而,这些新兴的纳米材料需要苛刻的纳米制造技术,阻碍了大规模纳米光子技术的发展。


写作自然对2021年8月18日,一个高度协作的国际研究小组通过在纽约高级科学研究中心的城市大学研究生中心,科技(华中科技大学),华中科技大学的科学家们的带领下,新加坡(NUS)国立大学和国家纳米科学与技术中心 (NCNST) 报告说,方解石是一种众所周知的块状晶体,常用于其他技术,可以自然地支持鬼极化子。


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响应。他们证明,方解石易于抛光,可以支持鬼极化子表面波,这些表面波具有与迄今为止观察到的任何表面极化子完全不同的复杂、面外动量。


“极化子学是利用光与物质强相互作用的科学和技术,它在过去几年中彻底改变了光学科学,”纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心爱因斯坦物理学教授兼光子学计划创始主任安德里亚·阿卢说:“我们的发现是令人兴奋的科学和令人惊讶的物理学的最新例子,它可以通过探索方解石等传统材料中的极化子而出现。”


重大突破!新型红外极化子可控制红外纳米光,将被用于传感、信号处理、能量收集


“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,”HUST 的候选人,第一作者、博士生导师马伟良说:“令人兴奋的是,我们已经展示了长达 20 微米的类射线纳米光传播,这是室温下极化波的远距离记录。”


“我们很高兴找到麦克斯韦方程组的新解,该方程具有复杂的面外动量。更令人兴奋的是,我们已经能够在非常普通的晶体中观察到它。” 共同第一作者、新加坡国立大学博士后研究员、纽约市立大学长期访问者胡光伟说。


“这种类型的极化子可以通过它们的光轴进行调整,引入了一种新的极化子操纵方式,”新加坡国立大学院长邱成伟说:“我们相信我们的发现将刺激对各种光学晶体进行纳米级光操纵的探索.”


NCNS 胡德波教授、戴庆教授,陈润坤,博士 华中科技大学张新良教授也对这项工作做出了重要贡献。



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