北理工團(tuán)隊在Nature Nanotechnology發(fā)表綜述論文
發(fā)布日期：2025-12-31 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、李家方教授、段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授團(tuán)隊合作，受主編Alberto Moscatelli博士邀請，在《自然》子刊Nature Nanotechnology上發(fā)表綜述論文，預(yù)言了各向異性材料中可能存在的新奇光學(xué)現(xiàn)象，總結(jié)了納米尺度上光場能量傳播調(diào)控策略及其在納米光子學(xué)器件中的應(yīng)用前景，展望了強(qiáng)各向異性材料走向?qū)嶋H器件應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問題。
極化激元是一種光與物質(zhì)中偶極振蕩強(qiáng)耦合形成的特殊電磁模式，具有半光半物質(zhì)屬性。近年來多項研究工作表明極化激元為納米尺度光場能量操控提供了有效途徑。值得指出的是，強(qiáng)各向異性材料中極化激元的傳播行為（折射、反射、干涉等）往往違背各向同性材料中的傳統(tǒng)光學(xué)定律（如斯涅爾折射定律和反射定律等），表現(xiàn)出許多反常的光學(xué)現(xiàn)象。理解這些現(xiàn)象有望在納米尺度上實現(xiàn)前所未有的光場調(diào)控能力，解決集成光子學(xué)中器件小型化與性能損耗之間的矛盾，開啟全新的光與物質(zhì)相互作用物理圖景。
內(nèi)容1：強(qiáng)各向異性極化激元新奇光學(xué)現(xiàn)象及其物理機(jī)制揭示
研究表明各向異性材料中極化激元的折射與反射行為異于傳統(tǒng)認(rèn)知，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的斯涅爾折射定律和反射定律。例如“負(fù)折射”現(xiàn)象（即折射能流與入射能流位于界面法線的同一側(cè)）、“無彎曲折射”現(xiàn)象（極化激元波穿越界面時方向幾乎不變）等。在反射方面，除了常規(guī)的鏡面反射，在雙曲材料中還存在“負(fù)反射”和特定入射角下的“無反射”現(xiàn)象。在干涉聚焦方面，線性色散極化激元可實現(xiàn)中紅外光場的納米聚焦，突破衍射極限。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的根本原因在于各向異性材料中極化激元波矢隨晶體方向變化，且波矢與波印廷矢量（能流方向）非共線。
圖1 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的反常折射現(xiàn)象
圖2 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的反常反射現(xiàn)象
圖3 強(qiáng)各向異性材料中極化激元的納米聚焦現(xiàn)象
內(nèi)容2：強(qiáng)各向異性極化激元調(diào)控策略
論文總結(jié)了針對這些奇異極化激元的操控手段，例如通過改變材料厚度、納米結(jié)構(gòu)、原子插層或同位素富集來調(diào)控材料本征光學(xué)響應(yīng)；制備范德瓦爾斯疊層結(jié)構(gòu)并控制其層間扭轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角光子學(xué)）實現(xiàn)極化激元光學(xué)拓?fù)湫再|(zhì)調(diào)控；通過改變局域介電環(huán)境、外加物理場、改變溫度或通過光學(xué)激勵等手段實現(xiàn)極化激元光電物性的動態(tài)調(diào)控等。
內(nèi)容3：強(qiáng)各向異性極化激元面向未來納米光子學(xué)的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)
基于上述新奇光學(xué)現(xiàn)象與調(diào)控手段，論文展望了極化激元在多個領(lǐng)域的變革性應(yīng)用潛力，例如在納米波導(dǎo)和能量傳輸方面，極化激元渠道化傳播為實現(xiàn)低損耗片上光互聯(lián)和納米尺度高效熱管理提供了新途徑。再比如，在光場局域方面，雙曲極化激元高動量模式能將光場壓縮至極小體積，極大增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，為高靈敏度紅外分子傳感、探測和強(qiáng)耦合研究提供了理想平臺。盡管前景廣闊，論文也指出極化激元領(lǐng)域在多功能納米光學(xué)器件設(shè)計（如路由器、邏輯門、偏振器等）、克服高傳播損耗、以及利用人工智能進(jìn)行逆向設(shè)計等方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是未來極化激元器件走向?qū)嶋H應(yīng)用必須攻克的難題。
圖4 強(qiáng)各向異性極化激元的應(yīng)用前景
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