发布日期：2023-02-19
2022年12月12日，浙江大学信电学院博士生杨雨萌和谢欣荣作为共同第一作者在《Nature Communications》发表题为“Radiative Anti-Parity-Time Plasmonics”研究工作。该工作首次将反宇称时间对称（APT）机制引入具有辐射特性的等离激元系统（图1），并基于该系统实现了对空间波的调控。该研究为利用空间波自由度（如：偏振、入射角等）研究APT新现象提供了一种独特的平台，而且为基于APT机制的应用（如: Exceptional Points高灵敏度传感）从近场拓展至远场提供了可能。
图1. 辐射型APT等离激元系统示意图
研究背景：
电磁波的两种形式：空间波和导波，分别是无线与集成技术的关键基石；因此，探索研究调控这两类电磁波的机制与手段尤为必要。1998年，宇称时间对称（PT）概念诞生，引起了人们对非厄米波物理的广泛研究兴趣。随后，该概念被引入光子学领域，涌现出一系列有趣的光学新现象及应用。紧接着，反宇称时间对称性（APT）被提出，再次引起了原子、光学、电路、热学等多领域的研究热潮。与PT系统相比，APT系统的物理机理截然不同，展现出能量差守恒，因此为电磁波调控提供了新的平台。在导波调控方面，APT系统已涌现出丰富的研究成果，例如constant refraction、mode switching、enhanced Sagnac effect等。然而，利用APT机制调控空间波的研究依然缺乏，关键挑战在于缺少融合APT机制与远场辐射特性的方案，这也进一步阻碍了APT机制在无线技术中的应用。
研究亮点：
（1）设计机理：漏波耦合
针对该关键挑战，研究团队提出了漏波耦合（leaky-wave coupling）的方法，并实现了辐射型APT等离激元系统（图2a-b）。漏波，是一种存在于平面电磁系统中的电磁模式，同时具有面内传播与面外辐射的特性（图2c-d）。研究团队发现：漏波模式的面内分量可为两个共面的人工局域表面等离激元（SLSP）耦合提供通道，其耦合系数表现为纯虚数；同时漏波模式的面外辐射分量为系统与远场空间波的相互作用架起了桥梁，为实现辐射型APT系统以及空间波调控提供了关键支撑。值得注意的是：SLSP模式具有内禀宇称自由度，可以调制漏波的面内分量，进而使得虚数耦合强度体现出宇称依赖性（图2e）。
图2.辐射型APT系统设计方案
a. 结构的俯视图和前视图。b. SLSP模式。c. 表面波模式。d. 表面波模式和空气中光的色散曲线，漏波位于灰色区域。e. 虚数耦合强度的宇称依赖性。
（2）空间波偏振自由度：偏振控制的APT相变
由于虚数耦合强度的宇称依赖性，该系统表现出奇模与偶模两组不同的APT相变（图3a）。研究团队发现，利用漏波的面外辐射，可以实现SLSP宇称与空间波偏振的一一映射，即横向与纵向极化（EH与EV）的平面波分别激发等离激元的奇模与偶模。当结构固定时，通过控制入射波的极化方向，首次实现了偏振控制的APT相变（图3b-c），并通过近场成像实验进一步证实了该相变现象（图3d-f）。
图3. 偏振控制的APT相变
a. 奇模和偶模系统的本征频率。b. 远场偏振激励示意图。c. 正交偏振平面波照射下的实验谱结果。d-f. 近场成像实验结果。
（3）空间波入射角自由度：多级APT相变
该系统还具有可扩展性。基于此，研究团队首次实现了高维APT系统（图4a），并观测到多级APT相变（图4b）。为表征频率相近的高阶模式，研究团队充分利用空间波的入射角这一自由度，使其与目标模式相位梯度匹配，提高目标模式的激发效率，结合近场成像技术，进一步验证了高维APT系统的多级APT相变（图4c-j）。
图4. 高维系统的多级APT相变
a. 高维系统俯视图。b. 高维系统特征值。c-j. 高阶模式表征。
（4）应用前景：无线传感
之前的研究显示，非厄米系统中的Exceptional Points具有高灵敏度的传感特性，但是其应用多局限于近场或导波结构，而该系统的辐射特性，有望将其传感应用从近场拓展至远场，从而实现无线传感。研究团队充分利用等离激元系统的开放性特点，演示了对环境变化的无线传感。图5b展示了环境参数变化导致系统远场反射谱变化的结果，随着环境介质介电常数的增加，反射谱逐渐发生劈裂。结果证实了该辐射型APT系统在无线传感应用方面的广阔前景。
图5. 环境介质感应
a. APT系统远场传感示意图。b.反射谱随介质介电常数的演变。
总结与展望：
该工作提出并验证了辐射型APT等离激元系统的设计方法。该设计方案具有远场响应特性、可拓展性、开放性等特点，为研究APT新现象、实现APT新器件提供了广阔平台。此外，该系统的等离激元设计可拓展到光学频段，其亚波长结构特点有助于器件小型化。该设计还可以进一步与增益材料或拓扑结构结合，有望产生更多新型非厄密电磁器件，以及有趣的非厄米拓扑现象。
结语：
浙江大学高飞研究员、陈红胜教授为通讯作者，李鹰研究员、李尔平教授为该工作提供了重要指导，博士生李元贞、张子剑、彭毅伟、王驰也做出了重要贡献。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、重点实验室基金、中央高校基本科研业务费等经费资助。
论文信息：
Yang, Y., Xie, X., Li, Y. et al. Radiative anti-parity-time plasmonics. Nat Commun 13, 7678 (2022).
论文连接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35447-3