8月18日，国际顶级期刊《自然》刊发了我校武汉国家光电研究中心/光学与电子信息学院李培宁教授和张新亮教授研究团队题为《Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals》的研究论文。李培宁、张新亮教授团队同新加坡国立大学、国家纳米科学中心、纽约州立大学等单位合作，突破性证明了传统的双折射晶体中存在“幽灵”双曲极化激元电磁波，该成果革新了极化激元基础物理的“教科书”定义，对凝聚态物理、光物理、电磁学等领域的基础原创研究具有重要指导意义。

图2  三种极化激元模式的特征电磁场模式分布的比较。

（上）“幽灵”极化激元模式、（中）表面极化激元模式、（下）体极化激元模式。

研究团队通过对麦克斯韦方程组严格求解，证明“幽灵”双曲极化激元沿着垂直表面方向的传播常数为复数（同时有实部也有虚部），表现为该方向上的电磁场传播呈现振荡衰减的特性。这种垂直界面“振荡衰减”的特殊电磁模式最早由普渡大学Narimanov教授预测可在各向异性介质中存在，他将量子力学研究领域的概念延拓至光学领域（Adv. Photonics 1, 1-11, 2019），从而将这种模式命名为“幽灵”电磁波（Ghost waves）。“幽灵”电磁波被预测可产生负折射、超分辨成像等多种奇特现象，但这种特殊电磁模式的存在一直没有得到实验证明。

李培宁和张新亮团队发现的“幽灵”极化激元是光场压缩能力更强的一种特殊的亚波长“幽灵”电磁波。他们发现教科书中的经典双折射材料——方解石晶体就存在“幽灵”极化激元。通过理论预测及计算（如图2所示），研究团队发现当方解石晶体的光轴和晶体界面存在一定的夹角时，就可存在“幽灵”双曲极化激元。这种新型的极化激元具有面内双曲型色散关系，表现出强各向异性的传输特性。

研究团队采用光轴和平面相对夹角23.3°的方解石晶体，通过红外光照射的金纳米天线作为局域光源，激发极化激元（如图3所示）。借助散射式近场光学显微镜（s-SNOM）, 实空间表征了局域光源激发下的“幽灵”双曲极化激元的各向异性传播特性。实验得到的近场强度分布揭示了特征的双曲极化激元模场分布，在天线的右边观测到了“幽灵”双曲极化激元以高度局域的射线形式传播，“渠道型射线”传输逾20微米距离后才完全衰减，其传输距离远高于二维材料中的极化激元，这也反映了方解石中的“幽灵”双曲极化激元具有较低的损耗。

此外，研究团队同时证明了能够通过改变双折射晶体内禀的属性——光轴的朝向来调节极化激元的色散。除了方解石晶体以外，研究团队也预测例如石英，氧化铝等众多常见的双折射晶体中都可能存在这种性质优异的“幽灵”极化激元。此项研究工作也有力证明了储量丰富，可大规模制备的极性晶体在微纳光学领域具有极大的应用潜力，在红外光谱传感，亚波长信息传递，超分辨聚焦成像，纳米尺度辐射调控等诸多方面都有着重要的应用前景。

华中科技大学是本研究论文的第一通讯单位，第一作者包括华中科技大学博士生马玮良，博士后陈闰堃，新加坡国立大学博士后胡光维，国家纳米科学中心胡德波副研究员。华中科技大学李培宁教授、张新亮教授、新加坡国立大学仇成伟教授、国家纳米科学中心戴庆研究员、纽约州立大学Andrea Alù教授为论文共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助。此次研究突破是华中科技大学李培宁研究团队在极化激元光学研究领域长期积累所取得的成果。目前，李培宁教授课题组已在极化激元光学方向上以第一作者和通讯作者发表高水平研究成果多项，包括Science 1篇，Nature 2篇，Nature Materials 1篇，Nature Communications 2篇。

文章题目：Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals

作者：Weiliang Ma, Guangwei Hu, Debo Hu, Runkun Chen, Tian Sun, Xinliang Zhang, Qing Dai, Ying Zeng, Andrea Alù, Cheng-Wei Qiu, Peining Li

DOI: 10.1038/s41586-021-03755-1

URL:  https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1