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各向異性材料中的極化子，具有奇異的光學特性，這為在納米尺度上控制光提供了機會。到目前為止，這些極化子可分為兩類：在材料內部傳播的體極化子和從界面以指數衰減的表面極化子。

在此，來自中國科學院國家納米科學與技術中心的戴慶&紐約市立大學的Andrea Alù &新加坡國立大學的仇成偉&華中科技大學的張新亮&李培寧等研究者，報道了一種幽靈聲子極化子的近場觀測，它以平面內雙曲色散在極單軸晶體表面傳播，同時在體塊中呈現斜波陣面。相關論文以題為“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”于2021年08月18日發表在Nature上。

當沿正交主軸方向的介電常數張量元素符號相反時，天然晶體會表現出極端的介電各向異性。這些特征導致極化子(輕物質混合電磁激發)具有雙曲色散，即極化子的波矢量k遵循雙曲等頻線。這些雙曲極化子首次在范德華晶體的薄層中發現，如六方氮化硼(hBN)， α相三氧化鉬(α-MoO₃)， α相五氧化釩(α-V₂O₅)和二鹵系二硒化鎢(WSe₂)。它們的特點是電磁能量的納米級定位、長極化子壽命和增強的光子態密度，這有利于亞衍射成像、熱能轉移、振動分子傳感、紅外光探測和扭曲納米光學等各種應用。

到目前為止，人們已經發現了兩種類型的雙曲極化子：體積限制的雙曲極化子(v-HPs)和表面限制的雙曲極化子(s-HPs)(也稱為Dyakonov極化子)。在具有純實值平面外波矢量的低損耗晶體內定向傳播的v-HPs，主要以范德華薄膜內的波導模式的形式進行研究。

相比之下，s-HPs是麥克斯韋方程組的解，它是一個純虛的平面外波矢量，在兩種介質的界面處得到支持，其中至少有一種介質的光軸在平面內，是各向異性的。與v-HPs相比，它們具有更大的電磁場約束、更小的群速度、更高的環境敏感性和類似的長壽命。

最近，在范德華薄片的邊緣發現了s-HPs；然而，還沒有實驗在樣品表面直接成像s-HPs。由于薄膜剝離后光軸晶格方向的后處理面臨挑戰，觀測s-HPs的挑戰部分與以下事實有關：之前所有關于二維范德華材料的研究都局限于它們的光軸要么在平面內，要么在平面外。因此，由此產生的極化子可能的傳播特性不可避免地受到限制。

在此，研究者探索了一個各向異性晶體的光軸和它的表面不一致的情況，揭示了不尋常的各向異性極化子的存在，即幽靈雙曲聲子極化子(g-HPs)。幽靈極化子是麥克斯韋方程組的非均勻表面波解，產生于光軸相對界面傾斜的單軸材料表面。它們表現出一種不尋常的雙態性質，在晶體體內既傳播(相位發展)又消逝(衰變)，這與傳統的表面波完全從界面消失形成了鮮明對比。

研究者的真實空間近場成像實驗揭示了，遠距離(超過20微米)的深亞波長幽靈極化子在表面的射線式傳播，驗證了長程、定向和無衍射的極化化子傳播。同時，通過控制光軸的面外角，可以實現固定頻率下的雙曲到橢圓拓撲轉變，為調整表面極化波的能帶圖拓撲提供了一條路徑。該結果證明了一種極化波現象，它在自然各向異性晶體中具有獨特的方式去調節納米尺度的光。

華中科大，第三篇Nature

圖1 方解石晶體界面上的幽靈雙曲表面聲子極化

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圖2 斜平面波照射下方解石表面紅外天線激發g-HPs的實空間成像

圖3 發射高度限制g-HPs用于平面定向和無衍射極化子傳播

圖4 方解石中極化子的可調諧雙曲性和拓撲轉變

雖然研究者在方解石中證明了g-HPs，但這些極化子同樣可以出現在其他天然各向異性晶體中，例如石英和藍寶石。該研究結果還表明，除了二維層狀范德華材料和雙曲型超材料外，傳統的塊狀各向異性晶體是探索奇異極化子各向異性的理想材料。由于三維的特性，塊狀各向異性晶體，在成像、生物傳感、光引導、信息傳輸、紅外偏振元件和深度亞波長尺度的非線性增強等方面，提供了支持和控制奇異極化波的額外手段。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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