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我院本科生在《ACS Photonics》发表最新研究成果

作者: 时间:2020-08-07 点击数:

近日,我院李培宁教授和张新亮教授团队提出“声学”声子极化激元新概念,相关工作以“Extremely-confined acoustic phonon polaritons in monolayer-hBN/metal heterostructures for strong light-matter interactions”为题发表于国际光子学领域权威期刊《ACS Photonics》,2017级“王大珩”光电实验班本科生袁著同学和博士后陈闰堃博士为论文并列一作。值得一提的是,研究团队克服疫情影响,全程基于线上讨论和协同,完成论文的研究工作,展现出良好的科研氛围和工作状态。

光子与光学声子(晶格振动)耦合产生的声子极化激元能够提供较大的光场束缚,较强的光场增强和较低的损耗,可实现对电磁能量的深亚波长聚焦和控制,这种极端的光场束缚特性对于很多应用(包括成像、传感探测、纳米激光等)都至关重要。最新的研究证明,范德瓦尔斯材料(层状材料,层间由范德瓦尔斯力联结)中声子极化激元的电磁场束缚能力随着材料厚度减小而增大,当厚度减少至单层,实验证明极化激元的波长可以达到真空波长的1/60,实现较强的光场束缚。然而,由于实际材料厚度不能比单层更薄,进一步的光束缚受到限制。

为了打破这个限制,本文作者提出单层六方氮化硼(一种典型的范德瓦尔斯声子极化激元材料)和金衬底构成的异质结构(如图1a),证明了单层氮化硼中的声子极化激元可以和金衬底在纵向(面外)方向形成杂化声子极化激元。这种新的纵向杂化声子极化激元类比于石墨烯-金异质结中的“声学”石墨烯等离激元,可称为“声学”声子极化激元。“声学”声子极化激元来自于氮化硼中声子极化激元与其在金表面(在中红外波段可视为电磁镜面)中的电磁镜像发生的强烈耦合,相比于传统的声子极化激元,其展现出极强的光场束缚和近场增强(如图1b和c)。

图1,“声学”声子极化激元和传统声子极化激元对应的结构示意图(a),电场分布(b)以及色散关系(c)。

研究者还证明了“声学”声子极化激元的耦合及传播特性可以灵活地由氮化硼与金之间的间距调节,并计算展示了这种新型极化激元极慢的群速度(~c / 50000,c为真空光速),传播距离和较长的振幅寿命(~2.6 ps),并基于这些独特性质,设计条形纳米谐振腔,以有机分子CBP为例,仿真证明了“声学”声子极化激元和分子共振吸收模式能够实现强耦合(strong coupling),揭示了“声学”声子极化激元对于强的光-物质相互作用的优良性质。另外,本文还对其中相关的非局域效应进行讨论。

李培宁教授和张新亮教授是论文的通讯作者,合作者包括了西班牙CIC Nanogune研究中心Rainer Hillenbrand教授和DIPC国际物理研究中心的Alexey Y. Nikitin博士。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00981

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