Nature: 自然材料中的平面内各向异性极化激元

由苏州大学功能纳米与软物质研究院为第一署名单位撰写的论文在 2018年 10月24日出版的《Nature》杂志上发表（DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9）。该工作主要介绍研究了面内各向异性和超低损耗声子极化激元研究中取得的重要成果（如图1），该研究发现被压缩的纳米光场在天然的各向异性二维材料α相三氧化钼中的传播具有各向异性，并且具有超长的寿命，为构建新型平面光学器件以实现低损耗的信号处理和光热能量控制，以及高灵敏的生物化学传感等开辟了新的通道。

图1. 各向异性声子极化激元在二维材料α相三氧化钼表面传播示意图

未来的信息和通讯技术不仅仅依赖于对电子的操控，而且还得借助纳米尺度下对光的调制。多年来，将光压缩到很小的尺度并进行操控和调制一直是纳米光子学的核心课题。目前，一种比较成功而有效的途径是通过将光与物质中震荡分布的电荷耦合形成极化激元。

固体（晶体）中包含了大量原子，晶体中的原子按照一定的规律排列，但是这些原子并不是静止不动的，他们会在平衡位置处不断进行振动，同时每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播，如果个体相互之间的运动有规律则会呈现类似波浪的效果。而携带传输弹性波能量的量子化的最小单元就是声子，因此往往用声子的行为来描述晶体中的简谐振动。当光照射到晶体上时，如果入射光的频率和晶格的振荡频率一致，那么光和晶格共同的作用就会衍生出另外一种波（粒子），这种由光子和声子耦合形成的新的准粒子就是声子极化激元。作为一种光声耦合的准粒子，极化激元的振动波长往往可以远远小于激发光的波长（低于二分之一个波长），从而可以实现在亚波长的尺寸对电磁波进行调制。而在光学中，这种将光局域化实现微观调控的能力在基础光学研究中具有重要的意义，可以产生很多新的光学现象比如负折射、超透镜的实际应用，如等离激元型波导，增强自发辐射效率等等。

而电磁波在介质中传播时，通常用介电常数来描述其光学效应，而在三维体系中，介电常数往往是张量, 当介质具有各项异性时，往往介电常数的成分也会有差异，造成电磁波在该介质中不均匀的传播，而这种不均匀的特性往往会带来许多独特的性质例如负折射，超透镜等效应。当各轴向的介电常数的符号发生差异时，往往其描述光电响应的动量空间是一个开口的双曲面，这表明这种介质中可以支持传播的电磁波具有极大的动量，极小的波长，而这些特殊的介质被称作双曲型介质，因为其最独特的光学特性被广泛设计，普遍通过人工超结构实现。近年来，科学家们发现能够将红外光压缩耦合到二维材料如石墨烯和六方氮化硼中从而形成表面等离子极化激元或声子极化激元。尽管这些极化激元展现出许多优异的性质，这些已知的极化激元总是在二维材料表面向四周辐射沿所有方向传播.最近，物理学家们预言了极化激元各向异性的传播行为，支持这种光学行为的材料包括人工超结构材料以及晶体结构和电子性质呈现各向异性的二维材料。在这种各向异性的传播中，极化激元的群速率和波长与传播方向密切相关。充分利用这个性质，可以期望实现传播方向可控的极化激元，实现能量在二维平面的定向局域，相对地减少了传播在介质中的热耗散，从而在未来的传感、通讯方面可以大展拳脚。

寻找损耗更低、可以多元化调制的极化激元材料，多年来一直是微纳米光子学领域的重点研究方向之一。人工超构材料被认为是实现功能性光调制的最佳媒介之一，然而因为微纳加工的复杂性、高系统损耗和难以微型化等限制因素，制约了其进一步应用。在本次的介绍的工作中，作者在α相三氧化钼纳米薄片中得到声子极化激元传播的近场光学图象（图2），可以发现该材料中极化激元只沿着特定的方向传播，而且极化激元的波长随样品厚度的变化而改变，最短的波长比激发光波长小60倍。并且这种各项异性的极化激元还会随着入射光的波长的变化而呈现出不同的传播行为。具体表现为，沿着晶体的不同方向，极化激元的传输是非匀速（椭圆型）甚至可以实现单向截止型（双曲型）传输。这种存在于天然二维材料中的方向及波形可调的极化激元虽在理论中被预言过，此前实验上从未被证实和被观测到。

图2. a. 使用散射型近场光学显微镜进行极化激元测试的示意图。b.两种不同激发波长下得到的近场光学显微镜幅度图像。

图3：α相三氧化钼圆盘中椭圆型（左上）和双曲型（右上）两种声子极化激元的近场光学幅度图像和绝对值的傅立叶变换结果（下面两组子图）。

在此次发表的论文中，在实空间中系统研究了天然层状材料α相三氧化钼中椭圆型和双曲型两种新型声子极化激元的各向异性传输特性（如图3）。α相三氧化钼的晶格结构具有独特的面内各向异性，其[001]晶向和[100]晶向的原子层间距的差异高达7.2%。红外光谱学测试发现，α相三氧化钼在800-1000波数范围内存在两个剩余射线带，声子极化激元的传播行为在两个剩余射线带内表现出迥然不同的性质。在低剩余射线带内，α相三氧化钼可以在中红外光激发下产生双曲型声子极化激元，也就是说声子极化激元仅沿着一个方向传播(即[001]方向)，而在另一个晶向（[100]方向）的传播完全被抑制。在高剩余射线带内，α相三氧化钼可以在中红外光激发下产生椭圆型声子极化激元，即声子极化激元在[001]晶向和[100]晶向具有不同的波长。特别引人注意的是，这种新型的各向异性声子极化激元具有非常低的传输损耗，室温测量其传播寿命高达8 ±1 ps （在某些样品中测试得到的最长寿命甚至超过20 ps），是低温测试的石墨烯各向同性等离子极化激元最长寿命的10倍，是室温测试的六方氮化硼各向同性声子极化激元最长寿命的4倍以上。

该工作的重要意义在于首次成功地实验揭示了在天然材料的平面内各项异性传播的极化激元，并且建立了两种各向异性极化激元的理论模型。这种各向异性极化激元为不断增长的范德华尔斯层状材料极化激元大家庭增加了独特的一员。与外部物理因素如应力、电场栅压调控和光注入载流子等结合，有望可以实现各向异性声子极化激元的动态调控，从而为在纳米尺度定向控制光传输和光-物质相互作用提供了一个崭新的途径。