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基于近场光学成像技术的极化激元学研究进展

Research advances in polaritonics based on near-field optical imaging technique

周怡汐，李志鹏，陈佳宁

物理学报, 2024, 73(8): 080701.

doi: 10.7498/aps.73.20232001

文章导读

光子芯片被认为是构建未来高性能信息器件的基础。如何实现纳米尺度上光场的精准操控对开发光子芯片至关重要。然而，微弱的光与物质相互作用和光学衍射极限是限制小型化、集成化光子器件开发的两大壁垒。极化激元是由光子与其他（准）粒子耦合形成，具有半光-半物质属性。目前有多种类型极化激元，包括等离极化激元（光子-电子耦合）、声子极化激元（光子-声子耦合）、激子极化激元（光子-激子耦合）等。由于极化激元能同时拥有多种粒子的性质，可以将光场局域至纳米尺度且显著地增强光-物相互作用，因此利用其实现光学通路及其片上集成是纳米光电器件研究的前沿方向。极化激元是一种倏逝波，局域并沿着物体表面传播，在垂直于物体表面方向呈指数衰减，故研究其相关性质需要能突破衍射极限的光学显微成像技术。得益于散射型扫描近场光学显微镜（空间分辨率仅依赖于针尖的曲率半径，可达10 nm）的发展，研究人员可以在纳米尺度上观察到多种类型极化激元及其引起的各类光学现象。尤其是近几年在各向异性材料（介电常数沿各个方向不同）中发现的双曲极化激元，因其独特的双曲色散具有理论上无限大波矢、极大的光学态密度和波矢与传播方向非共线等特性，在纳米尺度光调控和应用中展现出极大的潜力。

鉴于近几年极化激元学的快速发展，重新对其从纳米光学特性、调控及应用等方面进行全面、综合的介绍和展望尤为必要。本综述在简要介绍了散射型扫描近场光学显微镜激发与探测的基本原理基础上，对不同维度、不同类型极化激元在纳米尺度上产生的系列新奇光学现象进行了详细阐述。然后，系统总结了极化激元的调控方式（例如介电环境、物理场、转角等），并讨论了极化激元在亚衍射成像、生物传感、信息传输等方面的潜在应用。最后，文章指出了极化激元学面临的仍未解决的科学问题，并提出了几个未来的研究方向。

图1 二维转角体系中极化激元的调控   (a) 转角双层石墨烯等离极化激元光子晶体的近场光学成像(左)和暗场TEM可视化图像；(b)最小转角石墨烯的光电流探测，存在电子和空穴分布，标尺为500 nm；(c)转角双层氧化钼中声子极化激元的光学拓扑转变，当转角为光学魔角(θ = 54º)时，极化激元沿某一方向高度定向传播；(d)转角三层氧化钼晶体中可以实现极化激元无衍射传播的面内全角度调控

作者简介

周怡汐

首都师范大学物理系师资博士后

2020年博士毕业于中国科学院物理研究所，期间赴德国亚琛工业大学开展合作研究，2020—2022年在瑞士日内瓦大学从事博士后研究工作，2023年至今作为师资博士后在首都师范大学物理系工作。主要从事低维量子材料中极化激元、近场光学成像与光谱研究。目前以第一或共同作者在Nature Communications，Advanced Materials等期刊发表SCI论文多篇。参与国家级科研项目3项，瑞士自然科学基金项目1项。

李志鹏

首都师范大学教授

2003年本科毕业于吉林大学，2008年在中国科学院物理研究所获得博士学位，现为首都师范大学教授。从事表面等离激元(SPP)纳米尺度光调控与超灵敏增强光谱检测研究。兼任中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事，英国皇家物理学会Journal of Physics Communications 国际编委。

陈佳宁

中国科学院物理研究所研究员，中国科学院大学岗位教授

2003年、2008年先后本科与博士研究生毕业于大连理工大学物理系，2009—2013年先后在瑞典Lund大学固体物理系和西班牙Nanogune研究所从事博士后研究工作，2013年至今在中国科学院物理研究所光物理实验室工作，兼任中国科学院大学岗位教授。科技部重点研发计划首席科学家、中国光学学会理事、中国物理学会光物理专业委员会秘书长、中国青年科技工作者协会会员、中央和国家机关青年联合会科学院科学委员。主要研究纳米尺度上光与物质相互作用产生的各种效应。