正在看這篇文章的你，想必不是用手機、就是用電腦。這些電子設備都是基於電子晶元。簡單來講，就是通過電流的導通與否，來進行信息的存儲和運算。
晶元行業的競爭非常激烈，要想提高電子設備運算能力的同時減小其體積，需要增加晶元上的晶體管數量。例如，蘋果公司最新 Macbook Pro 使用的 M2 晶元上集成有 200 億個晶體管。
目前為止，高端晶元製造的核心技術還掌握在國外少數幾家公司手裡，例如 ASML 的光刻機可以生產 5 納米製程的高端晶元，這也是中國在 2019 年把晶元列為 35 項「卡脖子」技術中排名第二的原因。
除電子晶元外，光子晶元的概念在近幾年逐漸崛起。光子相對於電子而言可以攜帶更多信息且傳輸速度更快，因此光子晶元被認為是構建下一代低能耗、高密度、高效率信息器件的基礎。
為在該領域佔據一席之地，很多國家已把光子晶元技術列為國家戰略，例如歐盟的 Framework 和 Horizon 2020 計劃等。光子晶元的開發主要涉及兩個關鍵科學問題：一是突破光學衍射極限，實現光子在亞波長尺度上的局域；二是光場的精確人為調控。
為了在下一代光子晶元領域實現「彎道超車」，中國國家自然科學基金委已經把「光場調控及其與物質的相互作用」列為優先發展領域。
儘管發展前景很誘人，光子的納米局域和人為操控並不容易。與電子不同，光子不攜帶電荷，並且光與物質的相互作用往往較弱，因此很難通過調控電子的傳統方式例如電場加壓等去調控光子。
慶幸的是科學家發現，光子能和其它粒子或准粒子例如電子、聲子、激子等耦合，從而產生一種半光-半物質的准粒子。著名物理學家黃昆先生，稱其為極化激元（如圖 1 所示）。
由於極化激元同時擁有多種粒子的性質，故它給納米尺度上的光子精確操控鋪平了道路，也為解決困擾光子晶元發展的兩大瓶頸提供了思路。
近期，西班牙奧維耶多大學量子納米光學小組段嘉華博士的如下新成果：二維量子材料中極化激元近場光學性質的系列研究，有助於加深對雙曲光學色散基礎光學現象的理解，同時也為雙曲極化激元的潛在應用鋪平了道路。
圖 | 段嘉華（來源：段嘉華）
例如，在搭建光學通路、乃至構建納米光子晶元上，深入理解極化激元傳播路徑是實現光子集成化和應用化的基礎。
研究中最具應用潛力的是雙曲納米光腔，因其獨特的光學性質比如增強的光學態密度和近場光學強度等，故其能用於實現高靈敏度的分子檢測，甚至有望實現單個生物分子級別的檢測。
段嘉華所在的奧維耶多大學量子納米光學小組，長期致力於實現多頻率光子在納米尺度上的精確操控。
2012 年和 2014 年，其博士後導師巴勃羅·阿隆索·岡薩雷斯（Pablo Alonso Gonzalez）教授，分別首次實現了石墨烯等離激元及其折射現象的實空間成像，驗證了傳統菲涅爾折射定律在納米尺度上依然有效。
石墨烯等離激元可以將波長約為 11 微米的中紅外光，局域到納米尺度即入射波長的四十分之一。但是，石墨烯內的電子-電子散射，會給等離激元帶來極大的光學傳播損耗。
為解決這一難題，段嘉華所在課題組一直在尋找其它類型的極化激元。其中一個典型代表，便是聲子極化激元，它是光子與光學聲子耦合後產生的准粒子（如圖 1）。
圖 1 |（來源：段嘉華）
2018 年，該團隊聯合其他小組共同報道了三氧化鉬晶體中的聲子極化激元，其壽命可以達到 20 皮秒，比石墨烯等離激元壽命高出兩個數量級。
尤為有趣的是，作為一種范德瓦爾斯材料，三氧化鉬在中紅外波段具備光學各向異性，在面內的兩個方向具有截然不同的光學性質：沿 [100] 晶體方向介電常數為負數，即表現為金屬；沿 [001] 方向介電常數為正數，即表現為介質。
如圖 2 所示，這一光學各向異性導致：極化激元反常的內陷型波前，相應的等頻線（isofrequency curve）為雙曲線。
圖 2 |（來源：段嘉華）
雙曲光學色散有兩個非常吸引人的特性：1. 波矢方向受限而大小不受限（傳統圓形色散相反，即波矢方向不受限而大小受限），理論上可達到無窮大的波矢和無限高的光場局域能力；2. 靠近雙曲線漸近線處存在很多波矢，擁有很大的光學態密度。
這兩個性質蘊含著豐富的應用潛力，包括光學成像、生物感測、光學探測、光子集成等，也開闢了雙曲納米光子學（Hyperbolic nanooptics）的研究方向。
當光學色散從傳統的各向同性色散變為反常的雙曲色散時，很多基礎光學現象例如折射、反射、聚焦、干涉等都需要重新研究，可能表現出完全反直覺的行為。
2021 年，段嘉華所在團隊分別發表了關於雙曲極化激元折射和干涉的研究工作。如圖 3 所示，在低折射率到高折射率環境的界面處，雙曲極化激元會發生折射，折射角大於入射角。而常見的各向同性波的折射現象是折射角小於入射角，比如光線從空氣到水。因此，雙曲極化激元折射與常見折射現象是相反的。
圖 3 |（來源：段嘉華）
更有趣的是，折射後的雙曲極化激元波長變得非常小，理論上甚至可以無限小。基於這一性質，該團隊設計並實現了迄今為止極化激元焦點解析度最高的面內雙曲透鏡，焦點尺寸僅為極化激元波長的六分之一，從而實現了中紅外光的納米聚焦。
課題組的另一項研究表明，雙曲極化激元的干涉也是一個非常複雜的光學現象。這是因為在雙曲光學色散中，存在不同類型的波矢，包括常見波矢、高動量波矢和無限大波矢（如圖 4）。
圖 4 |（來源：段嘉華）
而通過實空間成像和理論計算，研究人員發現由於高動量波矢較大的光學態密度在干涉中起主導作用，當多個激發源圍成圓盤狀的時候，雙曲極化激元的干涉會導致其在深亞波長尺度上的聚焦（如圖 4）。基於此，該團隊繼續研究了雙曲極化激元的另一種基礎光學現象：反射。
光的反射，是一種中學級別的物理常識。該現象在日常生活中隨處可見，照鏡子、以及「水中月」都離不開反射現象。
但是，課題組通過研究發現雙曲極化激元的反射現象是反直覺的：反射角與入射角不相等，而且入射波與反射波位於界面法線同一側（即負反射），這些現象都與教科書里的反射定律——入射角等於反射角且分居法線兩側是相悖的。
簡單來講，如果我們的世界是雙曲光學色散的，而不再是各向同性色散的。那麼，我們照鏡子的最佳位置不再是鏡子前面，而可能變成幾乎與鏡面平行的一個位置（如圖 5）。
圖 5 |（來源：段嘉華）
而在該研究中，近場光學成像技術幫助該團隊實現了雙曲極化激元負反射的直接觀測（如圖 6）。通過更加深入的研究，其發現當把反射界面設計為雙曲剖面時，所有的雙曲極化激元波矢反射後都會原路返回（即背反射）。
圖 6 |（來源：段嘉華）
當兩個雙曲剖面接近時，就會形成一個雙曲納米光腔（如圖 7），其具有非常獨特的光學性質，例如增強的近場光學強度、增大的光學態密度、以及開放的光腔形狀等。這些性質會對很多應用產生重要影響，尤其是光學探測或分子檢測等。
圖 7 |（來源：段嘉華）
近日，相關論文以《納米尺度限制極化激元在低損耗自然介質中的負反射》（Negative reflection of nanoscale-confined polaritons in a low-loss natural medium）為題發表在 Science Advances，段嘉華、阿爾瓦雷斯·佩雷斯（Álvarez-Pérez）擔任共同第一作者 [1]，段嘉華、巴勃羅·阿隆索·岡薩雷斯（Pablo Alonso Gonzalez）擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
審稿人 A 認為，論文所展示的結果會引起納米光子學領域的廣泛關注和興趣。審稿人 B 認為，相關實驗充分證明了雙曲極化激元的負反射現象，而關於雙曲納米光腔概念的提出是革新的，非常適合發表在 Science Advances 上。文章發表後也被 Science Advances 期刊編輯選為高亮報道。
獲得雙曲納米光腔的理論模型
段嘉華表示，早在 2018 年他和所在團隊就決定系統研究雙曲光學色散的基礎光學現象。具體到此次工作則可分為三步走：
首先，需要建立適用於雙曲光學色散的理論模型。三氧化鉬晶體是雙軸晶體，當沿著不同的方向時，其介電常數也不相同。因此，在計算雙曲極化激元色散時，課題組需要解析複雜方程。
藉此，研究人員得到了雙曲極化激元在不同頻率下的等頻線（如圖 6），再結合反射前後、波矢在界面的動量守恆原則，就能精確計算出不同入射波經過反射後的波矢大小、波矢方向、以及波印廷矢量。
其次，得藉助實驗來驗證理論模型。在三氧化鉬晶體中，雙曲極化激元的波長約為 1 微米，要得到其反射現象的清晰圖像，需要成像技術的解析度達到微米或納米量級。
為此，該團隊採用散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM，scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy）。簡單來講，就是將入射光聚焦到一個尖端尺寸僅為 20 納米的針尖上，這樣只需收集針尖下面的近場光學信號，就能將成像空間解析度提高到 20 納米。
當極化激元被針尖激發之後，會向外傳播、並在碰到邊界後反射，回到針尖後會散射到探測器。這時，對其進行逐點掃描，就能得到樣品的近場光學圖像（如圖 6）。實驗結果顯示，雙曲極化激元的反射現象與理論計算相符。
為得到更清晰的雙曲極化激元反射圖像，課題組精心設計了反射界面的大小和方向（如圖 8）。當反射界面尺寸遠大於極化激元的波長時，針尖激發的極化激元會沿不同方向傳播並反射，最後會造成非常複雜的干涉，從而可能會掩蓋負反射現象。
圖 8 |（來源：段嘉華）
為避免這一問題，研究人員設計了亞波長尺度的反射界面，這不僅有利於得到雙曲極化激元負反射現象的清晰圖像，也有助於精確測定反射極化激元的波印廷矢量。
與此同時，還得留意反射界面的方向。因為根據 s-SNOM 的成像原理，在某些角度的界面處，無法成像的極化激元會發生反射現象。
最後，基於近場光學實驗和理論計算，該團隊設計了雙曲納米光腔，並對其性能參數進行計算。
具體來說，基於極化激元反射前後動量守恆原則，其發現雙曲納米光腔的設計更像是一個數學問題：界面上每一點入射波的波矢，都垂直於界面的切線方向。
當然，還要考慮物理上的光學損耗。這樣來看，理想的反射界面應該是一個雙曲剖面。而在研究末尾，課題組也順利獲得雙曲納米光腔的理論模型。
兩個技術細節讓研究「起死回生」
三氧化鉬晶體的微納加工問題，曾給研究人員帶來不小的麻煩。在製備極化激元反射界面時其發現：在氧化鉬晶體中，雙曲極化激元對微納加工非常敏感，加工之後幾乎無法探測到任何近場光學信號。
段嘉華說：「我們一度非常沮喪，甚至認為氧化鉬晶體也許不是一個觀測雙曲極化激元反射現象的好平台，但又無法找到其它擁有相似性質的材料。」
為解決這一問題，其聯繫了多個國家的科研團隊，聯合攻關之後發現：可以在微納加工中，使用特定金屬掩膜來保護氧化鉬晶體。之後，課題組又發現在高溫退火之後，氧化鉬的極化激元信號可以恢復。最終，這兩個技術細節使得研究工作「起死回生」。
段嘉華說：「比較驚喜的是，在研究退火對極化激元信號恢復背後的物理原理之後，我們成功發現了另外一個光學現象，也可以說是『塞翁失馬，焉知非福』。」
據介紹，段嘉華是山西大同人。本科就讀於北京交通大學材料化學專業，博士畢業於中科院物理研究所。2018 年，赴西班牙奧維耶多大學量子納米光學小組任職博士後，繼續從事納米光子學和近場光學研究。
其長期從事極化激元學的相關研究並發表 SCI 論文三十餘篇，長期擔任 Nature、Nature Materials、Nature Communications、Physical Review Letters 等多個國際期刊審稿人，以及波蘭國家科學基金委項目評審專家。談及後續的職業發展，段嘉華說：「希望能儘快回到祖國，目前正在尋找國內職位。」
而針對此次研究的後續研究計劃也非常清晰：
一方面，課題組想將雙曲極化激元推嚮應用化，這首先得在實驗上實現雙曲納米光腔。為此，其需要製備納米光腔陣列，從近場光學推廣至遠場光學，並與生物分子檢測結合起來。
另一方面，該團隊會繼續研究雙曲極化激元的其它光學現象，並尋找新的極化激元模式。最終目標是實現多個頻率光子在納米尺度上的精確操控。
參考資料：
1.Álvarez-Pérez, G., Duan, J. et al. Negative Reflection of Nanoscale-Confined Polaritons in a Low-Loss Natural Medium. Science Advances, 8. 29, abp8486 (2022).https://doi.org/10.1126/sciadv.abp8486
Nature Reviews Physics 4, 578 (2022)
Nature 562 557 (2018)
Nature 487 77 (2012)
Science 344 1369 (2014)
Nature 562 557 (2018)
Nature Communications 12 4325 (2021)
Science Advances 7 eabj0127 (2021)
物理學報 68, 110701 (2019)
Nature Materials 19, 964 (2020)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-