发布日期：2022-12-22
浙江大学信电学院博士生李民（导师：陈红胜教授、王作佳研究员）为第一作者的关于拓扑可重构磁极化激元的研究论文“Topologically reconfigurable magnetic polaritons”于2022年12月16日在线发表在国际综合类期刊《Science Advances》上。
研究背景：
极端各向异性材料中的双曲极化激元具有独特光学特性，存在“扭转光子学”、剪切极化激元、拓扑极化激元等奇特光学现象，近年来吸引了研究人员的广泛兴趣。为充分发挥极化激元的实际应用潜力，探究极化激元动态调控是十分重要的研究课题。当前的调控手段都是基于复合人工结构中局部材料改性技术，例如通过外界激励改变相变材料基底的折射率，调控载流子浓度调控石墨烯等二维材料性质等。然而，基于材料改性方法的调控范围较小，且由于自然材料较弱的磁响应，极化激元的色散调控仍局限于电各向异性范畴。因此，如何实现极化激元大范围动态调控，尤其是各向异性磁极化激元调控，是一个亟待研究的课题。
研究亮点：
针对极化激元调控难题，研究团队将折纸与磁性人工单元结合在一起，利用折纸从二维到三维的连续变形能力，提出了折纸驱动极化激元拓扑转变的新方法。相较以往的极化激元调控方法，基于折纸变形的极化激元色散调控具有较大的动态范围。折纸变形可有效重构磁极化激元的色散等频线，实现在开口双曲和闭合椭圆之间切换。此外，折纸的三维变形特点可驱动人工结构面外磁导率的拓扑转变，从而调控极化激元群速度的方向。
图1. a折纸人工结构示意图。b单元结构示意图。c折纸不同形态下极化激元的色散。d 二维和三维折纸结构的磁导率。e二维折纸结构中极化激元的色散。f三维折纸结构中极化激元的色散。
图2. a实验样品图。b实验装置图。c-f磁极化激元色散等频线从闭合椭圆到开口双曲的拓扑转变：实空间的磁场测试结果（上）和对应波矢空间中的色散等频线（下）。
由于极化激元的群速度可调且其符号正负可变，在能量传输等领域具有应用前景。为此，研究人员提出了群速度正负可控的折纸激元电路，平面形态和折叠形态的折纸激元电路呈现出相反的群速度符号。折纸激元电路在平面形态时，极化激元在电路上的传播具有反常色散的行为，例如电路终端的相位超前于电路始端，并且激元的波长随着频率增加而增加。折纸激元电路工作在三维折叠状态时，极化激元在电路上的传播表现出正常色散特性，电路终端的相位落后电路始端，同时激元的波长随着频率增加而下降。研究人员还将多种形态折纸结构组合在一起，构造“异质结”折纸激元电路。由于不同几何形态区域的激元差异性，通过控制不同区域的长度，电路终端和始端的相位差可在正、负、零等多功能之间切换。
图3. a可重构的折纸激元电路。（b，c）平面和三维折叠状态下折纸激元电路的色散。（d，e）平面折纸激元电路上的幅值、相位以及磁场分布。（f，g）折叠折纸激元电路上的幅值、相位以及磁场分布。
文章信息：
论文第一作者为浙江大学信息与电子工程学院博士研究生李民，通讯作者为浙江大学王作佳研究员、陈红胜教授以及新加坡国立大学仇成伟教授，论文的共同作者有斯坦福大学博士后胡光维以及浙江大学信息与电子工程学院博士研究生陈璇。该研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、新加坡国立大学高级研究和技术创新中心以及国家留学基金委的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6660