傳播更精準！科學家首次觀測到“鬼極化子”，可實現對紅外納米光的高效控

傳播更精準！科學家首次觀測到“鬼極化子”，可實現對紅外納米光的高效控制

一個國際研究小組在《自然》雜志上報道了對“鬼極化子”（ghost polaritons）的首次觀測。“鬼極化子”是一種新的表面電磁波形式，攜帶納米尺度的光，與材料振蕩強烈耦合，具有高度準直的傳播特性。

研究小組在一種常見的材料方解石上觀察到這些現象，并展示了鬼極化子如何在傳感、信號處理、能量收集和其他技術中促進對紅外納米光的高效控制。

近年來，紅外和太赫茲頻率的納米光子學在生物分子和化學診斷、傳感器、通信和其他應用中成為高靈敏度、超緊湊和低損耗技術的重要組成部分。

納米材料平臺可以促進在這些頻率下增強光物質相互作用，這對這些技術來說是必不可少的。

最近的工作是使用低維范德華材料，如石墨烯、六方氮化硼和α相三氧化鉬(α-MoO3, Nature 2018)，因為它們在納米尺度上對受限光的高度奇異響應。然而，這些新興的納米材料需要苛刻的納米制造技術，阻礙了大規模的納米光子技術。

近日，一個國際團隊在《自然》雜志上報道稱，方解石（calcite）——一種常見的在其他技術中使用的大塊晶體——可以自然支持鬼極化子。

該團隊探索了光與方解石的相互作用，并發現了意想不到的紅外聲子極化子反應。他們證明——方解石，可以很容易地拋光，可以支持鬼極化子表面波，其特征是復雜的，且平面外動量完全不同于任何迄今為止觀察到的表面極化子。

“極化學是一種利用光與物質的強相互作用的科學和技術，它在過去幾年里給光學科學帶來了革命性的變化，”研究人員Andrea Alù表示：“我們的發現是激動人心的科學和令人驚訝的物理學的最新例子，可以從探索方解石等傳統材料中的極化子中出現。”

“我們使用散射型掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)來探測這些鬼極化子，”論文第一作者Weiliang Ma表示：“令人興奮的是，我們已經展示了類射線納米光的傳播，可以達到20微米，這是室溫下極化波傳播距離的記錄。”

“我們非常激動地發現了麥克斯韋方程組具有復雜的平面外動量的新解。更令人興奮的是，我們已經能夠在一個非常普通的晶體中觀察到它。”該論文的共同第一作者Guangwei Hu表示。

“這種類型的極化子可以通過它們的光軸進行調諧，引入了一種操縱極化子的新方法，”新加坡國立大學院長講座教授邱成偉(Cheng-Wei Qiu)說。“我們相信，我們的發現將刺激對納米級光操縱的各種光學晶體的探索。”

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