天然层状超材料的面内双曲声子极化激元研究进展

在纳米尺度上实现电磁场传播的精确调控,对光学器件的集成化、小型化以及光子芯片的开发均至关重要,也是纳米光子学关注的核心问题。声子极化激元是一种光子与晶格振动耦合产生的具有半光半物质性质的电磁波模式。近期,在天然层状超材料面内发现的双曲声子极化激元,表现出类似射线的传播形式、较大的波矢和高的局域场强,因而在光场调控方面受到极大关注。因此,详细阐述了双曲声子极化激元的物理机制,包括极化激元介电方程、双曲色散关系以及方位角和开口角作用关系,并进一步阐述了双曲声子极化激元的传播特点、聚焦机制、可调性和光学拓扑转变方法,最后总结展望了基于天然层状超材料的面内双曲声子极化激元的特点及发展趋势,为声子极化激元发展及其纳米光子学应用提供帮助。     

双曲声子极化激元的近场调控综述

在实际应用中,有效的操控极化激元给纳米光子器件、亚波长成像、异常折射等领域带来了巨大的发展前景而广受关注,但传统介质材料中的极化激元的调控灵活度相对较低,不能满足现实的广阔需要成为具有挑战性的难题。然而,声子极化激元作为一种光子——声子强耦合的新型准粒子,与其他的极化激元相比,具有更强的束缚光的能力、更长的寿命以及更低的损耗,在亚波长尺度红外光调控领域能够发挥举足轻重的作用。近年来,随着对二维范德瓦尔斯晶体的相关研究及报道,能够承载双曲声子极化激元的介质材料步入大众视野,并且在具有超高分辨率的纳米成像技术的支持下,很多新颖的近场红外光学现象在多种操控手段下被发掘,这极大的丰富了人们对于极化激元的认知。此综述首先从双曲声子极化激元的机理入手,介绍了声子极化激元的概念、色散关系和近期被广泛关注的双曲介质（h-BN、α-MoO₃）。随后,总结了双曲声子极化激元在上述介质中的不同传播特性以及多种维度调控下的近场成像分析,例如改变范德华晶体的周围介质环境、谐振腔、金属天线的面内调控等等。最后,我们对声子极化激元的研究进行了展望。多样的调控手段展现了声子极化激元的丰富应用,这对纳米成像、集成光路、纳米透镜等红外纳米光子器件提供可借鉴的途径,同时在未来可能还会衍生出更多新兴领域。     

三元混晶膜的表面声子极化激元

采用改进的无规元素孤立位移模型和波恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究极性三元混晶膜中的表面声子极化激元.以AlxGa1-xAs,ZnxCd1-xS 和GaxIn1-xN 膜为例,获得了其中表面声子极化激元的频率作为波矢和膜厚之函数的数值结果并进行了讨论.结果表明:在三元混晶膜中有四支表面声子极化激元,不同材料的色散曲线分别显示了混晶电磁声子模的"双模"和"单模"特征.     

三元混晶膜的表面声子极化激元

采用改进的无规元素孤立位移模型和波恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究极性三元混晶膜中的表面声子极化激元,以AlxGa1-xAs,ZnxCd1-xS和GaxIn1-xN膜为例,获得了其中表面声子极化激元的频率作为波矢和膜厚之函数的数值结果并进行了讨论。结果表明：在三元混晶膜中有四支表面声子极化激元,不同材料的色散曲线分别显示了混晶电磁声子模的“双模”和“单模”特征。     

基于受激声子极化激元的太赫兹波传输调控与非线性效应研究

太赫兹波与离子晶体中光学声子耦合形成的受激声子极化激元,为太赫兹波在晶体材料中的传输调控和非线性增强提供了有效途径,进而为强场太赫兹科学技术的发展开辟了新的可能性。从物理概念、实验方案、调控手段等方面简要回顾了受激声子极化激元相关的研究进展,分析了受激声子极化激元作用下太赫兹波对光与物质相互作用机制的影响,展望了受激声子极化激元在未来强场太赫兹科学技术中的发展潜力与应用前景。     

腔磁子-极化激元系统的研究进展

光电子芯片在人工智能时代的复杂信息转换中扮演着重要角色。通过强耦合的电子-光子态可以实现光电转换的最高效率。利用电子自旋的自由度具有独特的优势。自旋的集体激发可以形成磁子,它具有长寿命和对焦耳热免疫的特性。这些特性可以通过磁子和高速光子之间的强耦合结合起来,形成"腔-磁子极化激元（CMP）"。最近的进展集中在构建高协同性的CMP,控制CMP的辐射和传输,理解CMP的完美吸收机制,以及开发片上CMP原型器件的电调谐维度和逻辑操作功能。这些围绕CMP相干耦合动力学的研究有望推动低损耗光电器件和前沿信息处理技术的发展。     

掺杂超晶格的等离子激元与纵光学声子的耦合模

在T＝77K,测量出掺杂（Si)GaAs/AlGaAs超晶格的拉曼散射谱,观察到拉曼位移分别为223cm^-1和422cm^-1的两个光散射峰。理论分析认为,这两个散射峰是掺杂超晶格的等离子激元与纵光学声子耦合模引起的。这事模引起的光散射峰位置的理论计算值与拉曼测量结果相当一致。     

氮化镓薄膜中LO声子—等离子体激元耦合模拉曼光谱研究

对生长在蓝宝石衬底上不同Si掺杂浓度的一系列GaN外延膜进行了拉曼散射光谱测量，观察到清晰的LO声子－等离子体激元耕合模的高频支（LPP＋）和低频支（LPP－）及其随掺杂浓度的增加往高频方向的移动，通过进行理论计算和拟合，得到GaN中的等离子体激元的频率及阻尼常数，并由此计算得到GaN中的载流子浓度和迁移率，与红外反射谱测量得到的数据进行了比较，结果表明，2种光谱方法得到的载流子浓度均与霍耳测量相一致。但迁移率比霍耳迁移率要低，接近杂质散射机制下的漂移迁移率。     

三角形截面GaN纳米线中的Frohlich电子-声子相互作用哈密顿北大核心CSCD

基于介电连续模型,推导和分析了具有等边三角形截面的纤锌矿GaN纳米线结构中的极化光学声子模。研究发现该纳米线结构中存在的精确受限(EC)声子模频率为GaN材料自由z-方向上的纵光学声子特征频率ωz,L,由于受限情况不同,这明显不同于GaN-基量子阱中的情况。进而采用非分离变量法,求解了该纳米线结构中EC声子模静电势的Laplace方程,得到了EC声子模的精确解析的声子态,并导出了系统中的极化本征矢量及其正交关系,自由声子场及相应的Frohlich电子-声子相互作用哈密顿。最后以GaN为例开展了数值计算,绘制了电子-声子耦合函数空间分析情况,对电子-声子耦合函数的对称性、耦合强度等性质进行了讨论,并获得了有意义的结果。     

介电常数近零模式与表面声子极化模式的耦合杂化研究

介电常数近零模式为在纳米尺度上控制光与物质相互作用提供了新途径。利用衰减全反射原理分别激发Al₂O₃衬底的声子极化激元和GaN薄膜的介电常数近零模式,并且通过调整薄层厚度和优化空气层的间隙来实现双层结构模式的耦合杂化。使用传输矩阵法和有限时域差分法数值模拟计算了混合模式的电场分布和色散,结果表明两种模式由于满足强耦合条件而发生耦合劈裂。在有限时域差分法模拟的光谱中,色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合,从电场图中可以观察到混合模式。混合模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点,可以作为未来红外和太赫兹纳米光子集成和通信设备的基础。     

AlSb内声子之间相互作用对极化子性质影响的研究

采用Ｌ．Ｌ．Ｐ提出的方法,在理论上研究了声子之间相互作用对ＡｌＳｂ内极化子性质的影响。结果表明：当动量趋于零时,声子之间的相互作用对极化子性质无影响,当动量达到某一值时,声子之间相互作用的能量占极化子总量能非常显著的部分。     

三元混晶膜的表面激子极化激元

运用麦克斯韦方程组和波恩-黄昆(Born-Huang)近似,对几种典型膜材料的三元混晶(TMC)膜中的表面激子极化激元进行了研究和数值计算。结果表明:TMC膜中存在两支激子极化激元表面模,与二元材料定性类似,但定量明显不同;TMC膜两支表面模频率和分裂能均随组分非线性变化;非线性程度与混晶膜厚(或频率)有关,在某些膜厚(或频率)下,可呈现非单调性。     

声子色散对量子点中弱耦合极化子光学声子平均数的影响

采用幺正变换和线性组合算符相结合的方法,研究声子色散对抛物量子点中弱耦合极化子电子周围光学声子平均数的影响.计及纵光学(LO)声子抛物色散,导出了量子点中极化子的基态能量和电子周围光学声子平均数随声子色散系数的变化关系.数值计算结果表明基态能量随声子色散系数的增大而减小,电子周围光学声子平均数随声子色散系数的增大而增大.     

抛物量子阱中强耦合极化子的声子平均数

采用线性组合算符和幺正变换相结合的变分方法,研究电子与体纵光学声子强耦合情况下抛物量子阱中极化子的声子平均数。给出了抛物量子阱中强耦合极化子的声子平均数与量子阱受限强度和电子-体纵光学声子耦合强度的关系。结果表明：强耦合极化子的声子平均数随量子阱受限强度的增大而增大,随电子-体纵光学声子耦合强度的增大而增大。随着量子阱受限强度的减小,声子平均数趋于晶体材料的值。抛物量子阱受限强度和耦合强度的增大加强电声子之间的相互作用。     

非周期三角光栅表面等离子体激元透镜研究

提出了一种新的表面等离子体激元透镜结构,该结构通过在两个亚波长小孔的外表面放置非周期的三角形电介质光栅实现对入射光束的有效汇聚。利用时域有限差分法(FDTD)计算了该结构中的稳态电磁场分布,讨论了光栅数目对成像特性的影响,计算发现,聚焦光斑可能出现一个、二个甚至三个;探讨了光栅折射率对成像的影响,发现在一定介质范围内,随着折射率的增大,焦距也随之增大;除此之外,亚波长小孔的数目、光栅中心距离小孔的位置及中间无三角形等因素都在不同程度上对透镜的成像特性有一定影响。     

量子棒中极化子声子平均数的温度依赖性

采用Huybrechts线性组合算符和Lee-Low-Pines变分法,研究了温度对量子棒中强耦合极化子平均声子数和振动频率的影响。结果表明,量子棒中强耦合极化子的平均声子数N-和振动频率λ随量子棒纵横比e′、温度T的增加而减小,随电子-声子耦合强度α和受限强度Ω∥的增加而增大。温度对平均声子数N-和振动频率λ的影响只是在温度较高(γ<1.0)时较显著,而在温度较低(γ>1.0)下并不显著。     

晶格热振动对极性半导体膜中电子-表面声子强耦合极化子自陷能的影响

采用Huybrechts线性组合算符和变分法,讨论了晶格热振动对极性半导体膜中电子-表面光学(SO)声子强耦合和电子-体纵光学(LO)声子弱耦合体系的影响,得到了极化子自陷能随膜厚和温度变化的规律,对CdF2半导体膜进行了数值计算,结果表明,CdF2极性半导体膜中表面光学声子和体纵光学声子对极化子自陷能的贡献分别在薄膜和宽膜情况下起主导作用.并且发现CdF2半导体膜中的不同支声子与电子相互作用对极化子自陷能的贡献,以及极化子的总自陷能都将随温度的升高而减小,这表明晶格热振动将削弱电子-声子耦合.     

晶格热振动对极性半导体膜中电子-表面声子强耦合极化子自陷能的影响

采用 Huybrechts线性组合算符和变分法 ,讨论了晶格热振动对极性半导体膜中电子 -表面光学 (SO)声子强耦合和电子 -体纵光学 (L O)声子弱耦合体系的影响 ,得到了极化子自陷能随膜厚和温度变化的规律 ,对 Cd F2半导体膜进行了数值计算 ,结果表明 ,Cd F2 极性半导体膜中表面光学声子和体纵光学声子对极化子自陷能的贡献分别在薄膜和宽膜情况下起主导作用 .并且发现 Cd F2 半导体膜中的不同支声子与电子相互作用对极化子自陷能的贡献 ,以及极化子的总自陷能都将随温度的升高而减小 ,这表明晶格热振动将削弱电子 -声子耦合     

CdF_2半导体膜中电子-表面声子强耦合对极化子性质的影响

采用改进的 Huybrechts线性组合算符和变分方法 ,研究了半导体膜内电子与表面光学声子强耦合、与体纵光学声子弱耦合对极化子性质的影响 ,得到了极化子的有效质量和自陷能随膜厚的变化规律 .对 Cd F2 半导体 ,计算了不同支声子与电子的相互作用对极化子有效质量和自陷能的贡献     

CdF2半导体膜中电子-表面声子强耦合对极化子性质的影响

采用改进的Huybrechts线性组合算符和变分方法,研究了半导体膜内电子与表面光学声子强耦合、与体纵光学声子弱耦合对极化子性质的影响,得到了极化子的有效质量和自陷能随膜厚的变化规律.对CdF2半导体,计算了不同支声子与电子的相互作用对极化子有效质量和自陷能的贡献.