InfoMat:范德华材料中的各向异性极化激元

极化激元指激子在材料中与介电常数 的元激发相互作用,材料中光子和谐振电荷之间发生强耦合形成的元激发过程。极化激元按照光和物质的相互作用可分类为:等离极化激元、激子极化激元和声子极化激元(photon polaritons, PhPs)。对于PhPs,由于其声子耦合特性,我们考虑材料的介电常数张量 ϵ=diag[ϵxyz ]。当材料存在晶体上的各向异性,也会存在介电常数的各向异性,当ϵi (i=x,y,z)与另外两项的符号相反,就称之为双曲介电材料。以六方氮化硼hBN为例,ϵxy<0,ϵz>0 ,激元在材料中的面内传播表现为各向同性,但是在面外方向表现出双曲的色散关系。这是诸如负折射率、超棱镜、纳米光刻、量子辐射增强等一系列光学现象和技术的关键核心问题。传统情况下,为了实现负折射率特性,需要人工设计精致的超材料结构(如开口谐振环与Ω子)。但是最近在天然各向异性二维材料,如α-MoO3中,研究人员发现了ϵx⋅ϵy<0,并观察到极化激元在面内的椭圆型或双曲型传播特性。各向异性范德华材料的引入,实现了对极化激元的低损耗、极化选择动态调控,这也是传统超材料结构设计的难点问题。

澳大利亚莫纳什大学的鲍桥梁团队聚焦极化激元,在Wiley出版集团新推出的信息材料领域高影响力期刊InfoMat受邀发表了题为“Anisotropic polaritons in van der Waals materials”的综述。文章总结了近年来平面各向异性极化激元近场响应的研究进展,重点介绍了通过引入天然层状材料,在某些频率范围内可能比传统材料具有更大的潜力。文章首先介绍了散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)在实空间中的成像机理及二维材料中极化激元的研究进展。然后讨论了各向异性极化激元与双曲/椭圆色散之间的联系。在简要回顾了双曲超表面结构之后,作者重点讨论了天然层状材料中的平面内各向异性,并基于该特性提出了一些潜在的光调制器件方向的应用。范德华面内各向异性材料由此在纳米光子学中建立一个新的范式,尤其是在纳米尺度上实现对光传导、光与物质相互作用的方向调控上极具应用前瞻。