鑽石舞台

創新點：美國奧本大學戴思遠課題組和合作者以六方氮化硼 (hBN) 中雙曲表面聲子極化激元 (HSP) 為研究案例，報告了HSP的反射相位可以通過改變 hBN 微結構的角度（corner angle）來系統地調節，並且反射相位在特定角度附近會經歷 π 的突變。這種行為是反射係數的數學性質的反映，因此可以預期出現在在其他物理現象中。

關鍵詞：聲子極化激元, 反射相位, 范德華材料, 近場光學

極化激元是由自由空間光子和材料中的偶極振盪耦合產生的混合電磁模式。其波長λp遠小於自由空間光的波長λ0，人們可以能通過改變材料的性質來控制極化激元的特性。因此，極化激元提供了獲得亞波長尺度的光能、波特性和光物質相互作用的途徑，這些特性有望用於傳感、光譜學、生物醫學治療和能量轉移應用。范德華材料中的極化激元是光和物質相互作用的研究前沿，由於極化激元超小的尺度，通常需要使用掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM, 圖1）直接成像其駐波來研究它們。這些駐波通常是通過反射在晶體不連續處的極化激元形成的，包括邊緣、缺陷和台階。重要的是，由於極化激元在晶體不連續處的 Goos-Hänchen 位移，極化激元的反射表現出非平凡的反射相位（復反射係數為 R = reiϕ，其中 r 是反射幅度，ϕ為反射相位）。因此，在不連續處，極化激元駐波干涉既不是相長也不是相消的，而是介於兩者之間。之前人們對各種范德華材料和異質結進行了廣泛分析，發現其極化激元反射相位 ϕ保持在 0.25π 左右，沒有明顯偏差。

在這項工作中，作者以六方氮化硼 (hBN) 中雙曲表面聲子極化激元 (HSP) 為研究案例，報告了通過改變 hBN 微結構的幾何形狀（corner angle α），來調節 HSP 的反射相位ϕ從常規值~ 0.25π 不斷增加到 ~ 0.5π，然後跳躍到 ~ -0.5π（經歷了π的突變, 圖2a,b）。驗證了近場成像中hBN corner附近極化激元駐波的明顯位置偏移和從相長干涉到相消干涉的轉變 (圖1d-i) ，實驗結果得到麥克斯韋方程組嚴格數值解的支持。文章所觀測到的結果是反射係數R的數學性質的反映即：穿過複平面原點的可微參數曲線必須在其相位中經歷 π 跳躍（圖 2c），文章結果預期會出現在其他極化激元和物理現象中。因此，通過設計主體材料的幾何特性，可以進一步拓展操縱極化激元基本特性的能力，如這裡所展示的反射相位，可用於polaritonic circuits, transformation nano-light、光束、生物傳感和光學元件的設計。

相關結果發表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.202102723)上，奧本大學博士生陳明源、新墨西哥大學Stephen Sanders為本論文的共同第一作者，Alejandro Manjavacas教授和戴思遠教授為該文的通訊作者。