浙江大学陈红胜课题组：超短波长极化激元的全角度负折射现象

近日，浙江大学陈红胜课题组，联合新加坡南洋理工大学张柏乐课题组和美国麻省理工学院Marin Soljacic课题组，首次在石墨烯-氮化硼系统中预言了超短波长石墨烯表面等离子体极化激元和氮化硼声子极化激元之间的全角度负折射现象。相应的工作发表在Proceedings of the National Academy of Sciences [114, 6717-6721 (2017)]上，并被Nature Photonics列为研究亮点。

纳米光学的发展要求在极小的纳米尺度下自由地操纵电磁波的传播。由于电磁波在任意两介质界面都会发生折射，且折射是光学器件设计的主要理论基础之一，因此自由地操纵超短波长电磁波（如拥有极强空间束缚性的表面等离子体极化激元）的折射显得至关重要，特别是其负折射现象的实现。

负折射的概念是由前苏联物理学家V. G. Veselago在1968年系统地提出。负折射现象的发现及理论的提出极大地丰富了现有的基本光学理论。负折射现象拥有广泛的电磁应用，如深亚波长成像、超透镜和新型导波等。负折射的实现需要负折射率材料，直到本世纪初，负折射现象才陆续在异向介质、超表面、光子晶体、金属-介质-金属异质结等系统中实现。然而，对于石墨烯表面等离子体极化激元，其波长λ_polariton远小于自由空间电磁波的波长λ₀，且其所具有的等效折射率值一直为正。对于此类超短波长极化激元，至今还未能自由调控他们折射率值的正负。实现超短波长极化激元的负折射，对于发展纳米尺度级别的电磁波调控技术非常关键，却仍然充满挑战。

该研究团队发现：氮化硼声子极化激元的等效折射率在一定频率范围内为负，且拥有跟石墨烯表面等离子体极化激元相同的极强空间束缚性。如图1所示，在22.96 THz时，这两类超短波长极化激元均有λ₀/λ_polariton=195，同时传输损耗非常低。该团队通过设计，在石墨烯和氮化硼的界面处，实现了22.96 THz下可对任意入射角的极化激元的负折射。为了更直观的展示，研究者在石墨烯-氮化硼界面一边放置点源，则可以在该界面另一边形成点源的虚像。

图1 石墨烯表面等离子体极化激元和氮化硼声子极化激元之间的负折射。 (a)结构示意图；(b)极化激元色散曲线；(c)负折射场分布图

图2展示了两种不同类型的氮化硼声子极化激元之间的负折射。研究者指出，当石墨烯和氮化硼结合形成异质结构时（如图2(a)右侧区域），石墨烯表面等离子体激元和氮化硼声子极化激元发生强烈耦合，会形成杂化的等离子体-声子极化激元。有意思的是，通过改变氮化硼的厚度（如图2(b)-(f)所示）或者调节石墨烯费米能级，可有效改变极化激元等效折射率的正负值。这为实现更多类型的超短波长极化激元之间的负折射提供了可能。

图2 两种不同类型氮化硼声子极化激元之间的负折射。(a)结构示意图； (b)-(f)杂化的声子极化激元色散曲线随氮化硼厚度的变化；(g)负折射场分布图

由于这些超短波长极化激元同时拥有极强的空间束缚性、可调节性、低传输损耗和自由调控折射率或群速度值正负等优势，石墨烯-氮化硼系统将是一个全新的平台，适合展示更多新奇电磁现象和设计具有更多功能性的微纳超表面和微纳成像元器件。

Nature Photonics [11, 454 (2017)]以2D Materials: Negative Refraction为题对此研究工作进行了亮点报导，在报道中突出强调了本项工作利用石墨烯-氮化硼系统平台实现极化激元调控的另一个独特的优势——调节石墨烯费米能级可以动态地调控全角度负折射的工作频率，这将为发展主动可调谐纳米光学器件提供一个非常有前景的平台。

论文链接：http://www.pnas.org/content/114/26/6717