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。

光子與光學聲子(晶格振動)耦合産生的聲子極化激元能夠提供較大的光場束縛,較強的光場增強和較低的損耗,可實現對電磁能量的深亞波長聚焦和控制,這種極端的光場束縛特性對于很多應用(包括成像、傳感探測、納米激光等)都至關重要。最新的研究證明,範德瓦爾斯材料(層狀材料,層間由範德瓦爾斯力聯結)中聲子極化激元的電磁場束縛能力隨著材料厚度減小而增大,當厚度減少至單層,實驗證明極化激元的波長可以達到真空波長的1/60,實現較強的光場束縛。然而,由于實際材料厚度不能比單層更薄,進一步的光束縛受到限制。

爲了打破這個限制,本文作者提出單層六方氮化硼(一種典型的範德瓦爾斯聲子極化激元材料)和金襯底構成的異質結構(如圖1a),證明了單層氮化硼中的聲子極化激元可以和金襯底在縱向(面外)方向形成雜化聲子極化激元。這種新的縱向雜化聲子極化激元類比于石墨烯-金異質結中的“聲學”石墨烯等離激元,可稱爲“聲學”聲子極化激元。“聲學”聲子極化激元來自于氮化硼中聲子極化激元與其在金表面(在中紅外波段可視爲電磁鏡面)中的電磁鏡像發生的強烈耦合,相比于傳統的聲子極化激元,其展現出極強的光場束縛和近場增強(如圖1b和c)。

圖1,“聲學”聲子極化激元和傳統聲子極化激元對應的結構示意圖(a),電場分布(b)以及色散關系(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。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00981

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