▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

雙曲激元定向高，

一半破缺一半濤。

不知對稱誰裁掉，

源偶極矩似剪刀。

光子作為一種“后摩爾時代”信息傳遞的理想載體之一，因其傳輸速度快、能耗低、容量高等優(yōu)勢而備受推崇。然而，光子本身不帶電荷，無法像電子那樣直接通過電學(xué)方式調(diào)控，且其波動性會受到光學(xué)衍射極限的限制。因此，如何在納米尺度上實現(xiàn)光子的高度局域和精確操控成為一個重要而具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。極化激元作為一種由光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準(zhǔn)粒子，憑借其光場局域性強和傳播損耗小的優(yōu)點，有望應(yīng)用于構(gòu)建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質(zhì)中產(chǎn)生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無限大的波矢傳播，進(jìn)而把光場壓縮到無限小的尺度。

極化激元的激發(fā)和傳播與材料的對稱性密切相關(guān)。最近的研究表明，在低對稱單斜晶體中存在一種特殊的雙曲剪切極化激元（hyperbolic shear polaritons），由于單斜晶體介電常數(shù)張量的非對角化，其雙曲波前表現(xiàn)出明顯的鏡像對稱破缺，進(jìn)一步增強了極化激元傳播的定向性。然而，低對稱晶體存在著傳播損耗大的問題，而傳統(tǒng)高對稱性晶體中的本征雙曲極化激元又總呈現(xiàn)出鏡像對稱性，這些因素都不利于實現(xiàn)極化激元的高效定向傳播。

針對上述問題，華中科技大學(xué)張新亮、李培寧團隊與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）戴志高教授合作，提出了一種通過控制激發(fā)源的極化特性打破雙曲極化激元鏡像對稱性，實現(xiàn)納米尺度光場定向傳輸?shù)男虏呗浴?/span>

他們通過研究近場激發(fā)源對面內(nèi)雙曲極化激元的影響機制，從理論和實驗上證明：在不依賴晶體結(jié)構(gòu)的對稱性條件下，可以通過面內(nèi)偶極矩直接誘發(fā)雙曲材料中對稱破缺的雙曲極化激元，從而實現(xiàn)雙曲極化激元在高對稱晶體中低損耗和低對稱晶體中高定向的優(yōu)勢融合。

該工作以“Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons”為題發(fā)表在卓越計劃高起點新刊eLight。本論文的共同第一作者為華中科技大學(xué)博士研究生胡才星、孫甜和博士后曾穎，本研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、湖北省自然科學(xué)基金和武漢光電國家研究中心創(chuàng)新基金的資助。

在本工作中，如圖1a所示，作者延續(xù)前期發(fā)現(xiàn)的低損耗、高對稱的方解石（CaCO?）晶體作為優(yōu)良的雙曲極化激元觀測平臺，并利用電子束光刻工藝在其表面制備高質(zhì)量的納米尺寸金圓盤天線。如圖1a和b所示，在p偏振的平面波對金屬圓盤的極化作用下，圓盤中產(chǎn)生面內(nèi)電偶極矩，進(jìn)一步激發(fā)方解石晶體中的雙曲極化激元。作者發(fā)現(xiàn)，通過施加不同線偏振狀態(tài)的遠(yuǎn)場平面波激勵，可以調(diào)控電偶極矩的面內(nèi)極化方向，進(jìn)而直接影響雙曲極化激元近場強度分布的對稱性。實驗結(jié)果表明，通過這種調(diào)控手段，可以在高對稱晶體方解石中實現(xiàn)雙曲極化激元對稱/非對稱的自由切換（圖1c和d）。而且，相較于對稱狀態(tài)，雙曲極化激元在對稱破缺狀態(tài)下的能量定向傳輸效率明顯提高（圖1e）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在較寬的頻率范圍內(nèi)，可以精確控制雙曲極化激元的對稱破缺傳播。

圖1：光學(xué)偶極子天線激發(fā)和調(diào)控非對稱雙曲極化激元。（a）近場實驗示意圖；（b）金圓盤天線上偶極電場相位分布的近場圖像；不同電偶極矩方向下，方解石晶體中對稱（c）和對稱破缺（d）的雙曲極化激元的仿真結(jié)果（左圖）和近場成像（右圖）；（e）從仿真和實驗數(shù)據(jù)虛線位置提取出的非對稱振幅對比圖

為解釋這一現(xiàn)象，研究團隊在考慮動量守恒的同時，建立理論模型來描述水平電偶極子角譜分布與雙曲等頻線之間的作用關(guān)系，如圖2所示。可以看出，鏡像對稱破缺的雙曲極化激元（圖2c）本質(zhì)上是由其面內(nèi)電偶極矩激發(fā)的非對稱源場分布（圖2a）導(dǎo)致，而不依賴于面內(nèi)各向異性材料的本征雙曲色散屬性（圖2b）。因此，實驗結(jié)果可拓展到不同類型的極化激元體系中（例如等離極化激元等）。作者還討論了不同類型的點源對雙曲極化激元傳播定向性的影響。

圖2：激發(fā)源與面內(nèi)各向異性介質(zhì)相互作用導(dǎo)致極化激元對稱破缺。（a）計算水平電偶極子動量空間的角譜分布（黃色虛線處場源強度為零）。（b）高對稱晶體中的雙曲等頻線。（c）源場與雙曲等頻線的相互作用。當(dāng)黃色虛線與雙曲等頻線的漸近線重合時（即電偶極矩垂直于雙曲漸近線），雙曲極化激元的非對稱程度最大（紅色點線代表雙曲等頻線上未被激發(fā)的模式）。

本研究提出的場源調(diào)控手段簡單易調(diào)，為納米尺度下的光傳導(dǎo)提供了一種新的操縱方法，有望應(yīng)用于光調(diào)制微納波導(dǎo)、光開關(guān)、光隔離器等新型集成光子學(xué)器件，推動光計算、光傳感和量子光學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。在實現(xiàn)光電器件小型化的同時，還易于和其他調(diào)控手段相結(jié)合，實現(xiàn)對極化激元的多物理場調(diào)控。

| 論文信息 |

Hu, C., Sun, T., Zeng, Y. et al. Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons.eLight 3, 14 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00047-1

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