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【河北教育网】东北大学秦皇岛分校赵勇教授团队教师吕江涛在Nature子刊上发表最新研究成果

日期：2023年07月10日来源：河北教育网2023年7月4日作者：王子敬编辑：齐芳关注：[]

近日，东北大学秦皇岛分校控制工程学院赵勇教授团队教师吕江涛及合作者以“Hyperbolic polaritonic crystals with configurable low-symmetry Bloch modes（可调谐低对称布洛赫模式双曲光子晶体）”为题，在Nature出版集团旗下子刊Nature Communications《自然·通讯》(影响因子16.6)上发表论文。吕江涛为该论文的第一作者，东北大学为该论文第一作者单位。主要合作者包括浙江大学武英杰和陈红胜教授团队、新加坡国立大学仇成伟教授以及澳门科技大学欧清东教授。该项研究成果进一步促进了我校光学工程学科的发展，提升了海洋光电信息感知研究团队成果水平。

在纳米光子学领域，如何在二维平面内高效操控光子，进一步研发超高集成度的片上光学器件以及高速低损耗的光子芯片一直以来都是本领域学者的研究目标。而在近年来出现的二维层状范德瓦尔斯（vdW）材料，在实现从可见光到太赫兹光谱范围的纳米尺度（甚至原子尺度）光场操纵表现出巨大潜力，它们在二维平面内支持准粒子——光与物质（电子、声子、激子等）的耦合激发，被称为vdW极化激元。如果光与光子晶体中的物质激发强烈耦合，同样也会产生极化激元，从而形成所谓的极化激元光子晶体( PoCs )，这为实现纳米尺度下光操控提供了一种有前途的途径。

传统的光子晶体和最新的范德瓦尔斯极化激元光子晶体，都表现出了一种紧密依赖于晶格排布的布洛赫模态高度对称激发特性。为此，吕江涛及其合作者制备了一种基于面内双曲极化激元的不对称α-MoO₃光子晶体，研究发现，其在特定方向对晶格重排具有很好的鲁棒性。

Figure 1. Robust resonant modes against lattice rearrangement in hyperbolic PoCs.

实验基于α-MoO₃薄板，使用聚焦离子束刻蚀制备了孔间距P = 2.3μm的双曲极化激元光子晶体（图1a）。该极化激元光子晶体与扭转45°的方形极化激元光子晶体具有相似的排布方式，但在前者中两个最近的孔之间的距离始终为P。图1a显示了892 cm⁻¹处的近场图像，在两孔中心处观察到了破坏性干涉，与模拟仿真得到的场分布(图1b)一致。从图1c的吸收光谱中，研究发现钻石形和方形极化激元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。分析发现这种特殊的现象，主要是由于声子极化激元的面内双曲色散导致。如图1d灰色阴影区域所示，在两个双曲扇形区域中，极化激元禁止被传播，与此同时，如图1c所示，该禁止传播区域内晶格矢量的变化对极化激元光子晶体的吸收影响比较有限。为进一步验证这个结论，研究者从理论上研究了一组定量周期为ｘ( P_x = 2.3 μm)，变量周期为y ( Py )的矩形极化激元光子晶体。如图1e，分析该晶体结构的吸收光谱发现，当Px固定时，特别是当Py/Px >1时，Py对共振频率的影响较小。由此可见，双曲晶体结构在极化传播禁止方向，其不受晶格重排的影响，具有很好的鲁棒性。同时，双曲极化激元光子晶体的布洛赫模态和布拉格共振可以通过晶格尺寸和排布方向进行有效调控。

此项研究发现为双曲光子晶体的物理特性研究提供了新的思路，拓展了光子晶体的应用领域，在光波导、能量传输、生物传感和量子纳米光学等领域具有潜在的应用价值。