我院李培甯教授課題組研究成果在《自然·通訊》發表

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,表現爲特征的面內雙曲色散,當高于STO頻率時,,此時其面內色散變爲橢圓型。由于這種新型聲子模的引入,極大的改變了氮化硼雙曲超表面本征的極化激元色散關系,通過紅外納米光譜清晰的觀察到引入的STO對本征色散的影響,實驗結果和理論仿真高度一致(原文圖3所示)。李培甯教授理論預測在STO附近,會産生極化激元色散由面內雙曲型向面內橢圓型的拓撲轉變,此時的極化激元會表現爲一種高度定向無衍射傳播的渠道模式(如圖1b所示)。李培甯教授進一步通過實空間近場紅外成像技術,成功實驗表征了在STO附近,納米天線激發的極化激元表現爲高局域(場約束比達到波長的1/22),高度定向傳播的渠道模式(圖1c和d)。

李培甯教授課題組的研究工作通過近場耦合的“超構原子”引入了新的光學聲子,同時將非局域效應引入聲子極化激元體系,實現了對雙曲超表面中極化激元色散的精確調控,並且成功觀測到了面內極化激元傳播的拓撲轉變-高度定向的渠道模式。該基礎科研成果該工作爲片上光學器件(極化激元波導等)在納米尺度定向控制光傳輸和光-物質相互作用提供了一個嶄新的思路,有望在微納光學傳感、超分辨成像、增強熱輻射等方面取得實際應用。

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。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17425-9

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