转自 今日新材料
深亚波长尺度光操控在成像和聚焦、光通信、集成光路和分子传感中发挥着至关重要的作用。极化激元，一种源自光子和材料激发耦合的混合准粒子，由于其亚波长尺度和强大的场压缩能力，为光控制开辟了一条极具前景的途径。其中，范德华材料中的超限域、低损耗极化激元，在下一代纳米光学器件应用中备受期待。目前已经开发了各种工程调制策略，包括异质结构、谐振腔和超表面、光学魔角 [Nature 2020, 582, 209]、以及结构极化激元 [Sci. Adv. 2022, 8, eabn9774] 等。
光子晶体是一种可以有效控制光波的人造微结构。由极化激元介质制成的周期微结构，称为极化激元光子晶体，可以用来控制亚波长尺度的光波。极化激元光子晶体的介电常数周期性变化，会引入传播极化激元的布拉格散射，能够实现许多可配置的极化激元模式，因此在诸如波导与分光、能量传递等面向片上集成光子芯片方面，以及生物传感、量子纳米光学等方面具有潜在应用。
极化激元光子晶体的前期研究报道主要基于面内各向同性波矢(kx =ky），如六方氮化硼的声子极化激元和石墨烯等离极化激元。与传统的光子晶体类似，这些各向同性极化激元光子晶体中的布洛赫模式高度对称且对晶格周期性非常敏感。虽然复杂的晶格结构设计和制造可以实现一定的各向异性，但这些基于各向同性介质的光子晶体特性非常依赖于晶格有序性，对缺陷和无序的容忍度较低。最近，在二维范德华材料α-MoO3中发现的天然面内各向异性声子极化激元 (kx≠ky) 提供了新的可能性；基于α-MoO3的周期阵列也有了初步探索，表现出了各向异性的光谱响应，但相关的布洛赫模式和对称性尚未系统研究，无法显示这类极端各向异性光子晶体的全新特性。
近日，澳门科技大学材料科学与工程研究院欧清东助理教授、浙江大学杭州国际科创中心武英杰研究员、新加坡国立大学仇成伟教授及合作者以“Hyperbolic polaritonic crystals with configurable low-symmetry Bloch modes”为题，在Nature Communications发表论文。
第一作者：东北大学吕江涛教授、浙江大学武英杰研究员、蒙纳士大学刘晶莹博士。通讯作者：浙江大学武英杰研究员、新加坡国立大学仇成伟教授、澳门科技大学欧清东助理教授。
研究人员提出了一种基于面内双曲声子极化激元的不对称光子晶体，具有可配置的和低对称的深亚波长布洛赫模式，并发现其在特定方向对晶格重排具有鲁棒性（见图1）。通过在天然二维晶体α-MoO3中周期性打孔制作双曲光子晶体（图2），利用晶格取向与晶轴方向的相对旋转角度（图3），控制晶格结构倒格矢和双曲色散之间的动量匹配，从而实现了低对称布洛赫模式的可控激发与调制（图4）。这些研究发现是传统基于各向同性介质的光子晶体和其他人造结构难以实现的，对发展新型谐振器和拓扑光子学应用等具有重要意义。
双曲光子晶体在特定方向不依赖于晶格重排
根据介质的介电常数，极化激元光子晶体可以分为三类（图1）：各向同性 (εx/εy= 1)、椭圆 (εx/εy >0、εx/εy≠1) 和双曲（εx/εy<0）。这里极化激元光子晶体的主要优点之一是可以通过调整结构排布进行有效的纳米光场控制。
传统的由金属制成的光子晶体，以及最近开发的石墨烯和六方氮化硼，都属于各向同性光子晶体。而具有椭圆型色散的极化激元光子晶体在周期变化时，表现出一定的不对称性。各向异性的进一步增强导致了双曲光子晶体，具有高度不对称性。其中光场主要集中在两个双曲扇形区内，几乎没有能量在双曲禁区传播。这样的双曲禁区使光子晶体共振特性对特定方向的周期变化并不敏感，具有免疫性。这种特性在各向同性和椭圆极化晶体中很难实现，但在对无序具有弹性的光学谐振器，及定向光束应用等方面提供了新的设计思路。
各向异性布洛赫模式
如图2所示，通过使用聚焦离子束刻蚀，在天然二维晶体α-MoO3中制备周期性孔阵列的双曲光子晶体。由于α-MoO3独特的各向异性晶体结构，声子极化激元的面内双曲色散使得双曲光子晶体中的共振具有高度的方向性。光子晶体能带结构也表现出很强的各向异性（图2）。值得注意的是，双曲光子晶体性质可以通过近场布洛赫模式、远场布拉格共振光谱、k空间动量匹配进行协同分析。
由于双曲光子晶体的谐振性质，其光学特性可以通过频率和晶格周期性进行配置和调整。利用散射型扫描近场光学显微镜 (s-SNOM) 在接近共振峰的频率下进行观察，发现双曲光子晶体的近场图像密切依赖于频率和晶格尺度变化。
旋转调控低对称性
天然的面内双曲声子极化激元，在光子晶体中实现旋转可调的低对称布洛赫模式，为共振控制提供新自由度。这与由石墨烯或六方氮化硼制成的各向同性光子晶体完全不同。通过制备排列方向偏移α-MoO3晶轴方向夹角 θ （θ =15，30，45°）的双曲光子晶体，并研究近场图像（图3），由于孔间相对位置的变化，实验近场图和二维色散图随着θ的增加而变化，而单个孔的场分布几乎不受影响，这与理论模拟保持一致。
抵抗晶格重排的鲁棒共振模式
研究发现钻石型和方型双曲光子晶体共振对应的最强吸收峰位于几乎相同的频率范围内（图4）。这种特殊的现象，主要是由声子极化激元的面内双曲色散导致的。在双曲禁区，极化激元被禁止传播，该区域中晶格矢量的变化对双曲光子晶体的共振影响有限。由此可见，双曲光子晶体特性在极化激元传播禁止方向，不受晶格重排的影响，具有很好的鲁棒性。当晶格与晶轴夹角θ为0°时，鲁棒性出现，并随着θ的增加，鲁棒性逐渐消失。
未来展望
这项工作设计、制造并研究了由面内各向异性 α-MoO3制成的双曲光子晶体，使光子晶体家族又添加了一个成员。由于具有面内各向异性，这种二维周期性结构可以通过设计几何形状（如三角形）带来更有趣的现象和更丰富的物理。可以预见，如果结合外部调控手段（如电控），将会实现双曲光子晶体的动态调控。我们期待，本文的研究结果将进一步推动光学谐振器、红外检测、分子增强传感技术领域的快速发展。
Lv, J., Wu, Y., Liu, J. et al. Hyperbolic polaritonic crystals with configurable low-symmetry Bloch modes. Nat Commun 14, 3894 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39543-w
来源：中国光学
