eLight·封面 | 源调控对称破缺极化激元

▍本文由论文作者团队（课题组）投稿

双曲激元定向高，

一半破缺一半涛。

不知对称谁裁掉，

源偶极矩似剪刀。

光子作为一种“后摩尔时代”信息传递的理想载体之一，因其传输速度快、能耗低、容量高等优势而备受推崇。然而，光子本身不带电荷，无法像电子那样直接通过电学方式调控，且其波动性会受到光学衍射极限的限制。因此，如何在纳米尺度上实现光子的高度局域和精确操控成为一个重要而具有挑战性的科学难题。极化激元作为一种由光和物质相互作用产生的“半光-半物质”准粒子，凭借其光场局域性强和传播损耗小的优点，有望应用于构建下一代高效率、高性能、低能耗的集成纳米光子器件。特别是在高度各向异性介质中产生的双曲极化激元（hyperbolic polaritons），在不考虑损耗的情况下理论上可以支持无限大的波矢传播，进而把光场压缩到无限小的尺度。

极化激元的激发和传播与材料的对称性密切相关。最近的研究表明，在低对称单斜晶体中存在一种特殊的双曲剪切极化激元（hyperbolic shear polaritons），由于单斜晶体介电常数张量的非对角化，其双曲波前表现出明显的镜像对称破缺，进一步增强了极化激元传播的定向性。然而，低对称晶体存在着传播损耗大的问题，而传统高对称性晶体中的本征双曲极化激元又总呈现出镜像对称性，这些因素都不利于实现极化激元的高效定向传播。

针对上述问题，华中科技大学张新亮、李培宁团队与中国地质大学（武汉）戴志高教授合作，提出了一种通过控制激发源的极化特性打破双曲极化激元镜像对称性，实现纳米尺度光场定向传输的新策略。

他们通过研究近场激发源对面内双曲极化激元的影响机制，从理论和实验上证明：在不依赖晶体结构的对称性条件下，可以通过面内偶极矩直接诱发双曲材料中对称破缺的双曲极化激元，从而实现双曲极化激元在高对称晶体中低损耗和低对称晶体中高定向的优势融合。

该工作以“Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons”为题发表在卓越计划高起点新刊eLight。本论文的共同第一作者为华中科技大学博士研究生胡才星、孙甜和博士后曾颖，本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省自然科学基金和武汉光电国家研究中心创新基金的资助。

在本工作中，如图1a所示，作者延续前期发现的低损耗、高对称的方解石（CaCO₃）晶体作为优良的双曲极化激元观测平台，并利用电子束光刻工艺在其表面制备高质量的纳米尺寸金圆盘天线。如图1a和b所示，在p偏振的平面波对金属圆盘的极化作用下，圆盘中产生面内电偶极矩，进一步激发方解石晶体中的双曲极化激元。作者发现，通过施加不同线偏振状态的远场平面波激励，可以调控电偶极矩的面内极化方向，进而直接影响双曲极化激元近场强度分布的对称性。实验结果表明，通过这种调控手段，可以在高对称晶体方解石中实现双曲极化激元对称/非对称的自由切换（图1c和d）。而且，相较于对称状态，双曲极化激元在对称破缺状态下的能量定向传输效率明显提高（图1e）。进一步研究发现，在较宽的频率范围内，可以精确控制双曲极化激元的对称破缺传播。

图1：光学偶极子天线激发和调控非对称双曲极化激元。（a）近场实验示意图；（b）金圆盘天线上偶极电场相位分布的近场图像；不同电偶极矩方向下，方解石晶体中对称（c）和对称破缺（d）的双曲极化激元的仿真结果（左图）和近场成像（右图）；（e）从仿真和实验数据虚线位置提取出的非对称振幅对比图

为解释这一现象，研究团队在考虑动量守恒的同时，建立理论模型来描述水平电偶极子角谱分布与双曲等频线之间的作用关系，如图2所示。可以看出，镜像对称破缺的双曲极化激元（图2c）本质上是由其面内电偶极矩激发的非对称源场分布（图2a）导致，而不依赖于面内各向异性材料的本征双曲色散属性（图2b）。因此，实验结果可拓展到不同类型的极化激元体系中（例如等离极化激元等）。作者还讨论了不同类型的点源对双曲极化激元传播定向性的影响。

图2：激发源与面内各向异性介质相互作用导致极化激元对称破缺。（a）计算水平电偶极子动量空间的角谱分布（黄色虚线处场源强度为零）。（b）高对称晶体中的双曲等频线。（c）源场与双曲等频线的相互作用。当黄色虚线与双曲等频线的渐近线重合时（即电偶极矩垂直于双曲渐近线），双曲极化激元的非对称程度最大（红色点线代表双曲等频线上未被激发的模式）。

本研究提出的场源调控手段简单易调，为纳米尺度下的光传导提供了一种新的操纵方法，有望应用于光调制微纳波导、光开关、光隔离器等新型集成光子学器件，推动光计算、光传感和量子光学等领域的发展。在实现光电器件小型化的同时，还易于和其他调控手段相结合，实现对极化激元的多物理场调控。

| 论文信息 |

Hu, C., Sun, T., Zeng, Y. et al. Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons.eLight 3, 14 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00047-1

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