正在看这篇文章的你，想必不是用手机、就是用电脑。这些电子设备都是基于电子芯片。简单来讲，就是通过电流的导通与否，来进行信息的存储和运算。
芯片行业的竞争非常激烈，要想提高电子设备运算能力的同时减小其体积，需要增加芯片上的晶体管数量。例如，苹果公司最新 Macbook Pro 使用的 M2 芯片上集成有 200 亿个晶体管。
目前为止，高端芯片制造的核心技术还掌握在国外少数几家公司手里，例如 ASML 的光刻机可以生产 5 纳米制程的高端芯片，这也是中国在 2019 年把芯片列为 35 项“卡脖子”技术中排名第二的原因。
除电子芯片外，光子芯片的概念在近几年逐渐崛起。光子相对于电子而言可以携带更多信息且传输速度更快，因此光子芯片被认为是构建下一代低能耗、高密度、高效率信息器件的基础。
为在该领域占据一席之地，很多国家已把光子芯片技术列为国家战略，例如欧盟的 Framework 和 Horizon 2020 计划等。光子芯片的开发主要涉及两个关键科学问题：一是突破光学衍射极限，实现光子在亚波长尺度上的局域；二是光场的精确人为调控。
为了在下一代光子芯片领域实现“弯道超车”，中国国家自然科学基金委已经把“光场调控及其与物质的相互作用”列为优先发展领域。
尽管发展前景很诱人，光子的纳米局域和人为操控并不容易。与电子不同，光子不携带电荷，并且光与物质的相互作用往往较弱，因此很难通过调控电子的传统方式例如电场加压等去调控光子。
庆幸的是科学家发现，光子能和其它粒子或准粒子例如电子、声子、激子等耦合，从而产生一种半光-半物质的准粒子。著名物理学家黄昆先生，称其为极化激元（如图 1 所示）。
由于极化激元同时拥有多种粒子的性质，故它给纳米尺度上的光子精确操控铺平了道路，也为解决困扰光子芯片发展的两大瓶颈提供了思路。
近期，西班牙奥维耶多大学量子纳米光学小组段嘉华博士的如下新成果：二维量子材料中极化激元近场光学性质的系列研究，有助于加深对双曲光学色散基础光学现象的理解，同时也为双曲极化激元的潜在应用铺平了道路。
图 | 段嘉华（来源：段嘉华）
例如，在搭建光学通路、乃至构建纳米光子芯片上，深入理解极化激元传播路径是实现光子集成化和应用化的基础。
研究中最具应用潜力的是双曲纳米光腔，因其独特的光学性质比如增强的光学态密度和近场光学强度等，故其能用于实现高灵敏度的分子检测，甚至有望实现单个生物分子级别的检测。
段嘉华所在的奥维耶多大学量子纳米光学小组，长期致力于实现多频率光子在纳米尺度上的精确操控。
2012 年和 2014 年，其博士后导师巴勃罗·阿隆索·冈萨雷斯（Pablo Alonso Gonzalez）教授，分别首次实现了石墨烯等离激元及其折射现象的实空间成像，验证了传统菲涅尔折射定律在纳米尺度上依然有效。
石墨烯等离激元可以将波长约为 11 微米的中红外光，局域到纳米尺度即入射波长的四十分之一。但是，石墨烯内的电子-电子散射，会给等离激元带来极大的光学传播损耗。
为解决这一难题，段嘉华所在课题组一直在寻找其它类型的极化激元。其中一个典型代表，便是声子极化激元，它是光子与光学声子耦合后产生的准粒子（如图 1）。
图 1 |（来源：段嘉华）
2018 年，该团队联合其他小组共同报道了三氧化钼晶体中的声子极化激元，其寿命可以达到 20 皮秒，比石墨烯等离激元寿命高出两个数量级。
尤为有趣的是，作为一种范德瓦尔斯材料，三氧化钼在中红外波段具备光学各向异性，在面内的两个方向具有截然不同的光学性质：沿 [100] 晶体方向介电常数为负数，即表现为金属；沿 [001] 方向介电常数为正数，即表现为介质。
如图 2 所示，这一光学各向异性导致：极化激元反常的内陷型波前，相应的等频线（isofrequency curve）为双曲线。
图 2 |（来源：段嘉华）
双曲光学色散有两个非常吸引人的特性：1. 波矢方向受限而大小不受限（传统圆形色散相反，即波矢方向不受限而大小受限），理论上可达到无穷大的波矢和无限高的光场局域能力；2. 靠近双曲线渐近线处存在很多波矢，拥有很大的光学态密度。
这两个性质蕴含着丰富的应用潜力，包括光学成像、生物传感、光学探测、光子集成等，也开辟了双曲纳米光子学（Hyperbolic nanooptics）的研究方向。
当光学色散从传统的各向同性色散变为反常的双曲色散时，很多基础光学现象例如折射、反射、聚焦、干涉等都需要重新研究，可能表现出完全反直觉的行为。
2021 年，段嘉华所在团队分别发表了关于双曲极化激元折射和干涉的研究工作。如图 3 所示，在低折射率到高折射率环境的界面处，双曲极化激元会发生折射，折射角大于入射角。而常见的各向同性波的折射现象是折射角小于入射角，比如光线从空气到水。因此，双曲极化激元折射与常见折射现象是相反的。
图 3 |（来源：段嘉华）
更有趣的是，折射后的双曲极化激元波长变得非常小，理论上甚至可以无限小。基于这一性质，该团队设计并实现了迄今为止极化激元焦点分辨率最高的面内双曲透镜，焦点尺寸仅为极化激元波长的六分之一，从而实现了中红外光的纳米聚焦。
课题组的另一项研究表明，双曲极化激元的干涉也是一个非常复杂的光学现象。这是因为在双曲光学色散中，存在不同类型的波矢，包括常见波矢、高动量波矢和无限大波矢（如图 4）。
图 4 |（来源：段嘉华）
而通过实空间成像和理论计算，研究人员发现由于高动量波矢较大的光学态密度在干涉中起主导作用，当多个激发源围成圆盘状的时候，双曲极化激元的干涉会导致其在深亚波长尺度上的聚焦（如图 4）。基于此，该团队继续研究了双曲极化激元的另一种基础光学现象：反射。
光的反射，是一种中学级别的物理常识。该现象在日常生活中随处可见，照镜子、以及“水中月”都离不开反射现象。
但是，课题组通过研究发现双曲极化激元的反射现象是反直觉的：反射角与入射角不相等，而且入射波与反射波位于界面法线同一侧（即负反射），这些现象都与教科书里的反射定律——入射角等于反射角且分居法线两侧是相悖的。
简单来讲，如果我们的世界是双曲光学色散的，而不再是各向同性色散的。那么，我们照镜子的最佳位置不再是镜子前面，而可能变成几乎与镜面平行的一个位置（如图 5）。
图 5 |（来源：段嘉华）
而在该研究中，近场光学成像技术帮助该团队实现了双曲极化激元负反射的直接观测（如图 6）。通过更加深入的研究，其发现当把反射界面设计为双曲剖面时，所有的双曲极化激元波矢反射后都会原路返回（即背反射）。
图 6 |（来源：段嘉华）
当两个双曲剖面接近时，就会形成一个双曲纳米光腔（如图 7），其具有非常独特的光学性质，例如增强的近场光学强度、增大的光学态密度、以及开放的光腔形状等。这些性质会对很多应用产生重要影响，尤其是光学探测或分子检测等。
图 7 |（来源：段嘉华）近日，相关论文以《纳米尺度限制极化激元在低损耗自然介质中的负反射》（Negative reflection of nanoscale-confined polaritons in a low-loss natural medium）为题发表在 Science Advances，段嘉华、阿尔瓦雷斯·佩雷斯（Álvarez-Pérez）担任共同第一作者 [1]，段嘉华、巴勃罗·阿隆索·冈萨雷斯（Pablo Alonso Gonzalez）担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
审稿人 A 认为，论文所展示的结果会引起纳米光子学领域的广泛关注和兴趣。审稿人 B 认为，相关实验充分证明了双曲极化激元的负反射现象，而关于双曲纳米光腔概念的提出是革新的，非常适合发表在 Science Advances 上。文章发表后也被 Science Advances 期刊编辑选为高亮报道。
获得双曲纳米光腔的理论模型
段嘉华表示，早在 2018 年他和所在团队就决定系统研究双曲光学色散的基础光学现象。具体到此次工作则可分为三步走：
首先，需要建立适用于双曲光学色散的理论模型。三氧化钼晶体是双轴晶体，当沿着不同的方向时，其介电常数也不相同。因此，在计算双曲极化激元色散时，课题组需要解析复杂方程。
借此，研究人员得到了双曲极化激元在不同频率下的等频线（如图 6），再结合反射前后、波矢在界面的动量守恒原则，就能精确计算出不同入射波经过反射后的波矢大小、波矢方向、以及波印廷矢量。
其次，得借助实验来验证理论模型。在三氧化钼晶体中，双曲极化激元的波长约为 1 微米，要得到其反射现象的清晰图像，需要成像技术的分辨率达到微米或纳米量级。
为此，该团队采用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM，scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy）。简单来讲，就是将入射光聚焦到一个尖端尺寸仅为 20 纳米的针尖上，这样只需收集针尖下面的近场光学信号，就能将成像空间分辨率提高到 20 纳米。
当极化激元被针尖激发之后，会向外传播、并在碰到边界后反射，回到针尖后会散射到探测器。这时，对其进行逐点扫描，就能得到样品的近场光学图像（如图 6）。实验结果显示，双曲极化激元的反射现象与理论计算相符。
为得到更清晰的双曲极化激元反射图像，课题组精心设计了反射界面的大小和方向（如图 8）。当反射界面尺寸远大于极化激元的波长时，针尖激发的极化激元会沿不同方向传播并反射，最后会造成非常复杂的干涉，从而可能会掩盖负反射现象。
图 8 |（来源：段嘉华）
为避免这一问题，研究人员设计了亚波长尺度的反射界面，这不仅有利于得到双曲极化激元负反射现象的清晰图像，也有助于精确测定反射极化激元的波印廷矢量。
与此同时，还得留意反射界面的方向。因为根据 s-SNOM 的成像原理，在某些角度的界面处，无法成像的极化激元会发生反射现象。
最后，基于近场光学实验和理论计算，该团队设计了双曲纳米光腔，并对其性能参数进行计算。
具体来说，基于极化激元反射前后动量守恒原则，其发现双曲纳米光腔的设计更像是一个数学问题：界面上每一点入射波的波矢，都垂直于界面的切线方向。
当然，还要考虑物理上的光学损耗。这样来看，理想的反射界面应该是一个双曲剖面。而在研究末尾，课题组也顺利获得双曲纳米光腔的理论模型。
两个技术细节让研究“起死回生”
三氧化钼晶体的微纳加工问题，曾给研究人员带来不小的麻烦。在制备极化激元反射界面时其发现：在氧化钼晶体中，双曲极化激元对微纳加工非常敏感，加工之后几乎无法探测到任何近场光学信号。
段嘉华说：“我们一度非常沮丧，甚至认为氧化钼晶体也许不是一个观测双曲极化激元反射现象的好平台，但又无法找到其它拥有相似性质的材料。”
为解决这一问题，其联系了多个国家的科研团队，联合攻关之后发现：可以在微纳加工中，使用特定金属掩膜来保护氧化钼晶体。之后，课题组又发现在高温退火之后，氧化钼的极化激元信号可以恢复。最终，这两个技术细节使得研究工作“起死回生”。
段嘉华说：“比较惊喜的是，在研究退火对极化激元信号恢复背后的物理原理之后，我们成功发现了另外一个光学现象，也可以说是‘塞翁失马，焉知非福’。”
据介绍，段嘉华是山西大同人。本科就读于北京交通大学材料化学专业，博士毕业于中科院物理研究所。2018 年，赴西班牙奥维耶多大学量子纳米光学小组任职博士后，继续从事纳米光子学和近场光学研究。
其长期从事极化激元学的相关研究并发表 SCI 论文三十余篇，长期担任 Nature、Nature Materials、Nature Communications、Physical Review Letters 等多个国际期刊审稿人，以及波兰国家科学基金委项目评审专家。谈及后续的职业发展，段嘉华说：“希望能尽快回到祖国，目前正在寻找国内职位。”
而针对此次研究的后续研究计划也非常清晰：
一方面，课题组想将双曲极化激元推向应用化，这首先得在实验上实现双曲纳米光腔。为此，其需要制备纳米光腔阵列，从近场光学推广至远场光学，并与生物分子检测结合起来。
另一方面，该团队会继续研究双曲极化激元的其它光学现象，并寻找新的极化激元模式。最终目标是实现多个频率光子在纳米尺度上的精确操控。
参考资料：
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)
物理学报 68, 110701 (2019)
Nature Materials 19, 964 (2020)
