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我院李培宁教授课题组研究成果在《自然·通讯》发表

作者: 时间:2020-08-07 点击数:

我院李培宁教授课题组的研究论文“Collective near-field coupling and nonlocal phenomena in infrared-phononic metasurfaces for nano-light canalization”在2020年7月21日出版的《Nature Communications》杂志上发表。在该工作中,研究者构建了由亚波长尺寸的人工“超构原子”组成的氮化硼超表面,通过“超构原子”之间的近场耦合以及非局域效应的引入,产生了一种新的光学声子模式。这种新的声子模式引入,改变了超表面中本征存在的面内各向异性的色散关系,从而实现了从面内双曲型向面内椭圆型色散的拓扑转变。李培宁教授借助散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)成像实验,实空间揭示了发生在拓扑转变区域,高度局域、无衍射传播的“渠道化”极化激元。改工作为构建新型平面光学器件以实现高度定向、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. a.人工“超构原子”构成的红外超表面; b.“超构原子”间的近场耦合及非局域相互作用引入了新的光学声子;c,d.面内色散拓扑转变区域的“渠道化极化激元”

李培宁教授在2018年通过六方氮化硼光栅结构首次实现了红外双曲超表面(Science 359, 892 (2018))。在此次发表的最新的研究论文中,他进一步证明氮化硼光栅所形成的超表面的“超构原子”之间存在较强的近场耦合。这种近场耦合作用以及周期性光栅的非局域效应使得本征的双曲超表面产生了新的纵向光学声子模式(STO)(如图1b所示),从而使得在新STO声子模式附近的光学态密度显著提高。当临近新的声子模频率时,原本的面内各向异性色散关系发生显著的变化。低于STO频率时,超表面在两个特征方向的有效介电常数,表现为特征的面内双曲色散,当高于STO频率时,,此时其面内色散变为椭圆型。由于这种新型声子模的引入,极大的改变了氮化硼双曲超表面本征的极化激元色散关系,通过红外纳米光谱清晰的观察到引入的STO对本征色散的影响,实验结果和理论仿真高度一致(原文图3所示)。李培宁教授理论预测在STO附近,会产生极化激元色散由面内双曲型向面内椭圆型的拓扑转变,此时的极化激元会表现为一种高度定向无衍射传播的渠道模式(如图1b所示)。李培宁教授进一步通过实空间近场红外成像技术,成功实验表征了在STO附近,纳米天线激发的极化激元表现为高局域(场约束比达到波长的1/22),高度定向传播的渠道模式(图1c和d)。

李培宁教授课题组的研究工作通过近场耦合的“超构原子”引入了新的光学声子,同时将非局域效应引入声子极化激元体系,实现了对双曲超表面中极化激元色散的精确调控,并且成功观测到了面内极化激元传播的拓扑转变-高度定向的渠道模式。该基础科研成果该工作为片上光学器件(极化激元波导等)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思路,有望在微纳光学传感、超分辨成像、增强热辐射等方面取得实际应用。

李培宁教授是论文的第一作者,华中科技大学为第一研究单位,合作者包括了西班牙CIC Nanogune研究中心Rainer Hillenbrand教授、新加坡国立大学仇成伟教授、纽约城市大学Andrea Alu教授。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17425-9

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