Shuwen Xue, Yali Zeng, Sicen Tao, Tao Hou, Shan Zhu, Chuanjie Hu, Huanyang Chen.Vortex-induced quasi-shear polaritons[J]. Adv. Photon. Nexus 2(1): 015001
极化激元是光子与物质元激发强相互作用下展现的一种量子杂化形态，具有“半光子—半声子”的属性。在极性晶体中，当入射电磁波与其晶格振动波耦合时，会衍生出新的模式杂化态，即声子极化激元，其激发与传播决定于晶体对称性。与正交晶体相比，单斜和三斜晶体有较低的对称性，它们的晶胞边长不等，且相互不垂直。借此，科学家在单斜晶体中发现了天然不对称的双曲剪切极化激元，这是一种全新的极化激元振荡模式。
双曲剪切极化激元的出现丰富了以往人们对正交晶体中声子极化激元的研究。此前的报道中，这类极化激元均在介电张量不能对角化的单斜和三斜晶体材料中被发现，它而在正交晶体中激发非对称的双曲极化激元仍存在一些挑战。此外，传统激发声子极化激元的方法多基于简单的电偶极子，涡旋源等复杂的结构场与双曲材料的相互作用较少得到研究。
用传统点源（m=0）作为正交双曲材料的激励源时，其磁场分布呈现对称的双曲形态。而利用涡旋源（m=±1）作为激励源时，其磁场分布呈现非对称的双曲形态，如图1（a）和（c）所示。相应的强度以及快速傅里叶变换分布如图（d）-（i）所示。
图1 准双曲剪切极化激元与传统双曲极化激元对比
研究人员从解析角度证明了这种准双曲剪切极化激元，如图2所示。从图中可以看出，随着涡旋源的拓扑荷阶数增加，准双曲剪切极化激元的不对称性也会增加。对于奇数阶拓扑荷，磁场的上半部分与下半部分相位相差π。相反，对于偶数阶拓扑荷，磁场的上下部分相位相同，呈现出旋转对称性。值得注意的是，靠近原点附近的磁场呈现针状分布，并随着拓扑荷阶数增加而增加。
图2 拓扑荷为m=±1，±2，±3，±4的解析磁场分布
此外，研究人员引入了介电张量非对角元素的虚部分量，其介电张量可以表示为
其中，f 是调节介电张量非对角元素虚部大小的比例因子。通过调节比例因子以及涡旋源的拓扑荷可以实现对远场对称性的调控，如图3所示，红色区域表示左偏的准双曲剪切极化激元，蓝色区域表示右偏的准双曲剪切极化激元，场图如图3右边部分所示。图中的黑色虚线表示介于左偏和右偏之间的过渡模式，即远场对称的模式。
图3 调节比例因子以及涡旋源的拓扑荷调控远场对称性
该工作为未来双曲剪切极化激元的研究提供了一种可调节的方式，也为双曲剪切极化激元与涡旋源的研究提供了新的自由度，未来有望在实验中演示。
陈焕阳教授，2008年于上海交通大学获得博士学位（2011年全国百篇优博）。2013年获得国家优秀青年科学基金。2019年入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者以及厦门市第十二批引进高层次人才“双百计划”。2020年获批国家留学基金委创新型人才国际合作培养项目。2016年9月起加入厦门大学物理学院。迄今为止，他在Nature Photonics，Nature Materials，Nature Review Materials，Nature Communication （4篇），Physical Review Letters （11篇），Physical Review Applied（12篇），Optica（2篇）等国际期刊发表学术论文逾200篇，引用超过10000次，最高单篇引用超过1000次。
