傳播更精準(zhǔn)！科學(xué)家首次觀測(cè)到“鬼極化子”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外納米光的高效控

傳播更精準(zhǔn)！科學(xué)家首次觀測(cè)到“鬼極化子”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外納米光的高效控制

一個(gè)國(guó)際研究小組在《自然》雜志上報(bào)道了對(duì)“鬼極化子”（ghost polaritons）的首次觀測(cè)。“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(qiáng)烈耦合，具有高度準(zhǔn)直的傳播特性。

研究小組在一種常見(jiàn)的材料方解石上觀察到這些現(xiàn)象，并展示了鬼極化子如何在傳感、信號(hào)處理、能量收集和其他技術(shù)中促進(jìn)對(duì)紅外納米光的高效控制。

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

納米材料平臺(tái)可以促進(jìn)在這些頻率下增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用，這對(duì)這些技術(shù)來(lái)說(shuō)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?yàn)樗鼈冊(cè)诩{米尺度上對(duì)受限光的高度奇異響應(yīng)。然而，這些新興的納米材料需要苛刻的納米制造技術(shù)，阻礙了大規(guī)模的納米光子技術(shù)。

近日，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上報(bào)道稱，方解石（calcite）——一種常見(jiàn)的在其他技術(shù)中使用的大塊晶體——可以自然支持鬼極化子。

該團(tuán)隊(duì)探索了光與方解石的相互作用，并發(fā)現(xiàn)了意想不到的紅外聲子極化子反應(yīng)。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(fù)雜的，且平面外動(dòng)量完全不同于任何迄今為止觀察到的表面極化子。

“極化學(xué)是一種利用光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用的科學(xué)和技術(shù)，它在過(guò)去幾年里給光學(xué)科學(xué)帶來(lái)了革命性的變化，”研究人員Andrea Alù表示：“我們的發(fā)現(xiàn)是激動(dòng)人心的科學(xué)和令人驚訝的物理學(xué)的最新例子，可以從探索方解石等傳統(tǒng)材料中的極化子中出現(xiàn)。”

“我們使用散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(s-SNOM)來(lái)探測(cè)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(jīng)展示了類射線納米光的傳播，可以達(dá)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(dòng)地發(fā)現(xiàn)了麥克斯韋方程組具有復(fù)雜的平面外動(dòng)量的新解。更令人興奮的是，我們已經(jīng)能夠在一個(gè)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(guò)它們的光軸進(jìn)行調(diào)諧，引入了一種操縱極化子的新方法，”新加坡國(guó)立大學(xué)院長(zhǎng)講座教授邱成偉(Cheng-Wei Qiu)說(shuō)。“我們相信，我們的發(fā)現(xiàn)將刺激對(duì)納米級(jí)光操縱的各種光學(xué)晶體的探索。”

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