华中科大，第三篇Nature

各向异性材料中的极化子，具有奇异的光学特性，这为在纳米尺度上控制光提供了机会。到目前为止，这些极化子可分为两类：在材料内部传播的体极化子和从界面以指数衰减的表面极化子。

在此，来自中国科学院国家纳米科学与技术中心的戴庆&纽约市立大学的Andrea Alù &新加坡国立大学的仇成伟&华中科技大学的张新亮&李培宁等研究者，报道了一种幽灵声子极化子的近场观测，它以平面内双曲色散在极单轴晶体表面传播，同时在体块中呈现斜波阵面。相关论文以题为“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”于2021年08月18日发表在Nature上。

当沿正交主轴方向的介电常数张量元素符号相反时，天然晶体会表现出极端的介电各向异性。这些特征导致极化子(轻物质混合电磁激发)具有双曲色散，即极化子的波矢量k遵循双曲等频线。这些双曲极化子首次在范德华晶体的薄层中发现，如六方氮化硼(hBN)， α相三氧化钼(α-MoO₃)， α相五氧化钒(α-V₂O₅)和二卤系二硒化钨(WSe₂)。它们的特点是电磁能量的纳米级定位、长极化子寿命和增强的光子态密度，这有利于亚衍射成像、热能转移、振动分子传感、红外光探测和扭曲纳米光学等各种应用。

到目前为止，人们已经发现了两种类型的双曲极化子：体积限制的双曲极化子(v-HPs)和表面限制的双曲极化子(s-HPs)(也称为Dyakonov极化子)。在具有纯实值平面外波矢量的低损耗晶体内定向传播的v-HPs，主要以范德华薄膜内的波导模式的形式进行研究。

相比之下，s-HPs是麦克斯韦方程组的解，它是一个纯虚的平面外波矢量，在两种介质的界面处得到支持，其中至少有一种介质的光轴在平面内，是各向异性的。与v-HPs相比，它们具有更大的电磁场约束、更小的群速度、更高的环境敏感性和类似的长寿命。

最近，在范德华薄片的边缘发现了s-HPs；然而，还没有实验在样品表面直接成像s-HPs。由于薄膜剥离后光轴晶格方向的后处理面临挑战，观测s-HPs的挑战部分与以下事实有关：之前所有关于二维范德华材料的研究都局限于它们的光轴要么在平面内，要么在平面外。因此，由此产生的极化子可能的传播特性不可避免地受到限制。

在此，研究者探索了一个各向异性晶体的光轴和它的表面不一致的情况，揭示了不寻常的各向异性极化子的存在，即幽灵双曲声子极化子(g-HPs)。幽灵极化子是麦克斯韦方程组的非均匀表面波解，产生于光轴相对界面倾斜的单轴材料表面。它们表现出一种不寻常的双态性质，在晶体体内既传播(相位发展)又消逝(衰变)，这与传统的表面波完全从界面消失形成了鲜明对比。

研究者的真实空间近场成像实验揭示了，远距离(超过20微米)的深亚波长幽灵极化子在表面的射线式传播，验证了长程、定向和无衍射的极化化子传播。同时，通过控制光轴的面外角，可以实现固定频率下的双曲到椭圆拓扑转变，为调整表面极化波的能带图拓扑提供了一条路径。该结果证明了一种极化波现象，它在自然各向异性晶体中具有独特的方式去调节纳米尺度的光。

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图1 方解石晶体界面上的幽灵双曲表面声子极化

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图2 斜平面波照射下方解石表面红外天线激发g-HPs的实空间成像

图3 发射高度限制g-HPs用于平面定向和无衍射极化子传播

图4 方解石中极化子的可调谐双曲性和拓扑转变

虽然研究者在方解石中证明了g-HPs，但这些极化子同样可以出现在其他天然各向异性晶体中，例如石英和蓝宝石。该研究结果还表明，除了二维层状范德华材料和双曲型超材料外，传统的块状各向异性晶体是探索奇异极化子各向异性的理想材料。由于三维的特性，块状各向异性晶体，在成像、生物传感、光引导、信息传输、红外偏振元件和深度亚波长尺度的非线性增强等方面，提供了支持和控制奇异极化波的额外手段。

文献信息

Ma, W., Hu, G., Hu, D. et al. Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals. Nature 596, 362–366 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1

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