近日，華中科技大學李培寧教授和張新亮教授研究團隊在全球頂級科研期刊《Nature》上發表了題為「Ghosthyperbolic surface polaritons in bulk anisotropiccrystals」的文章。據悉，這是馬瑋良博士的第2篇Nature。
▎馬瑋良博士迎來自己的第2篇Nature
其實，早在2018年，馬瑋良在蘇州大學攻讀碩士生研究生的時候就以第一作者的身份在《Nature》上發表論文，成果入選「2018年度中國光學十大進展」。蘇州大學鮑橋樑教授團隊與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso-González、西班牙巴斯克科學基金會RainerHillenbrand團隊合作在Nature發表題為「In-plane anisotropic and ultra-low- loss polaritons in a natural van der Waals crystal」的研究成果，這也是蘇州大學歷史上第一篇一作《Nature》。
按照原計劃，馬瑋良已經獲得澳大利亞蒙納士大學博士全額獎學金，即將前往澳洲繼續深造。但受到疫情等多重因素影響，碩士畢業後，馬瑋良選擇攻讀華中科技大學博士研究生，師從青年博導李培寧。
左3位黃色上衣為馬瑋良博士，左4位李培寧教授
在2018年馬瑋良作為第一作者發表的Nature論文中，李培寧也是合作者之一。
該篇論文屬於蘇州大學和CIC Nanogune研究中心合作的論文，CIC Nanogune研究中心則是李培寧回國前工作的單位。正是這一學術淵源，使得馬瑋良放棄了出國深造的機會，直接留在李培寧教授身邊讀博。
時隔兩年，2021年8月18日，華中科技大學90後博士馬瑋良，師從青年學者李培寧教授（手握3篇正刊），以第一作者的身份在全球頂級期刊《Nature》發文。
▎華中科大取得突破性成果
圖1，展示方解石晶體中「幽靈」雙曲極化激元各向異性傳播的藝術示意圖
極化激元光學是當今凝聚態物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領域，也是我國的傳統優勢研究方向之一。極化激元（polaritons）是光和物質強耦合作用產生的「半光-半物質」准粒子，能夠將光場壓縮聚焦到很小的尺度，從而突破衍射極限，實現奇異的微納光學現象和重要應用。
早在1951年，我國著名半導體物理學家黃昆先生就提出聲子極化激元的經典理論，開闢了這一重要研究方向。隨後，根據材料種類的不同，不同性質的極化激元（如，激子極化激元、等離極化激元等）相繼被發現。目前，這些不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面傳播的表面模式（surfacepolaritons）和在材料內部傳播的體模式(volumepolaritons)。二者的本質分別在於垂直材料界面方向，極化激元的波矢為純虛數（表面模式）或純實數（體模式）。
李培寧和張新亮團隊的研究成果突破了極化激元模式分類的固有認識，證明了在各向異性的方解石晶體中，存在第三種極化激元模式——「幽靈」雙曲極化激元（Ghosthyperbolic polaritons）。
圖2，三種極化激元模式的特徵電磁場模式分布得比較。（上）「幽靈」極化激元模式、（中）表面極化激元模式、（下）體極化激元模式。
研究團隊通過對麥克斯韋方程組嚴格求解，證明「幽靈」雙曲極化激元沿著垂直表面方向的傳播常數為複數（同時有實部也有虛部），表現為該方向上的電磁場傳播呈現振盪衰減的特性。這種垂直界面「振盪衰減」的特殊電磁模式最早由普渡大學Narimanov教授預測可在各向異性介質中存在，他將量子力學研究領域的概念延拓至光學領域（Adv.Photonics1, 1-11, 2019），從而將這種模式命名為「幽靈」電磁波（Ghostwaves）。「幽靈」電磁波被預測可產生負折射、超分辨成像等多種奇特現象，但這種特殊電磁模式的存在一直沒有得到實驗證明。
李培寧和張新亮團隊發現的「幽靈」極化激元是光場壓縮能力更強的一種特殊的亞波長「幽靈」電磁波。他們發現教科書中的經典雙折射材料——方解石晶體就存在「幽靈」極化激元。通過理論預測及計算（如圖2所示），研究團隊發現當方解石晶體的光軸和晶體界面存在一定的夾角時，就可存在「幽靈」雙曲極化激元。這種新型的極化激元具有面內雙曲型色散關係，表現出強各向異性的傳輸特性。
研究團隊採用光軸和平面相對夾角23.3°的方解石晶體，通過紅外光照射的金納米天線作為局域光源，激發極化激元（如圖3所示）。藉助散射式近場光學顯微鏡（s-SNOM）,實空間表徵了局域光源激發下的「幽靈」雙曲極化激元的各向異性傳播特性。實驗得到的近場強度分布揭示了特徵的雙曲極化激元模場分布，在天線的右邊觀測到了「幽靈」雙曲極化激元以高度局域的射線形式傳播，「渠道型射線」傳輸逾20微米距離後才完全衰減，其傳輸距離遠高於二維材料中的極化激元，這也反映了方解石中的「幽靈」雙曲極化激元具有較低的損耗。
圖3，近場成像實驗證明「幽靈」極化激元的各向異性傳播特性。（左）實驗示意圖、（中）測量的「幽靈」極化激元高分辨近場圖像、（右）波矢空間分布圖
此外，研究團隊同時證明了能夠通過改變雙折射晶體內稟的屬性——光軸的朝向來調節極化激元的色散。除了方解石晶體以外，研究團隊也預測例如石英，氧化鋁等眾多常見的雙折射晶體中都可能存在這種性質優異的「幽靈」極化激元。此項研究工作也有力證明了儲量豐富、可大規模製備的極性晶體在微納光學領域具有極大的應用潛力，在紅外光譜傳感、亞波長信息傳遞、超分辨聚焦成像、納米尺度輻射調控等諸多方面都有著重要的應用前景。
本研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃的資助。此次研究突破是華中科技大學李培寧研究團隊在極化激元光學研究領域長期積累所取得的成果。
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