前沿进展 | 非对称反射：可在互易双曲材料中实现的奇异性质

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，山东高等技术研究院吴小虎教授与英国格拉斯哥大学Rair Macedo教授合作，从实验和理论两方面证明了互易双曲材料可以实现高度的非对称反射，这种非对称性源于两个线偏振光之间的非对称交叉偏振转换，是双曲介质的一种固有特性，也是目前研究较少的一种奇异性质。

该成果以“Asymmetric Reflection Induced in Reciprocal Hyperbolic Materials”为题于2022年7月20日发表在ACS Photonics上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

如何控制和调制光传播一直是人们非常感兴趣的课题，尤其是在实现光的定向传播方面。非互易材料（如磁光材料和Weyl半金属）由于能够打破时间反演对称性，可以实现光的不对称传播。但这类材料通常需要强大的外部磁场或低温，可能与紧凑型集成电子设备不兼容。超材料作为磁光材料的替代品，也可以实现光的非对称传输。然而，复杂的加工工艺使其难以大面积推广应用。

此外，使用各向异性材料也是实现不对称光学特性的一种途径。以往研究表明，当各向异性光轴被“弯曲”时，在互易双曲材料中可以实现非对称的吸收和透射。但根据亥姆霍兹互易原理，反射总是对称的。因此，如何在互易双曲材料中实现非对称反射，仍是一个富有创新性、挑战性的课题。

03 研究创新点

该团队首先研究了TM偏振光入射到半无限大双曲材料表面的反射特性，如图1（a）所示。从图1（b）中可以看出，当弯曲角ψ和方位角β均为45°时，反射光谱呈现出高度的不对称性。

为了进一步研究该结构的非对称反射特性，他们计算了当入射光波数为540 cm⁻¹时，其反射率在波矢空间k_x−k_y的分布。结果表明，当入射角度为负时反射率都很低，而正入射角显示出了近乎完美的反射，这体现出该结构具有明显的非对称反射性质。

图1（a）从空气中以θ角度入射的TM偏振光在双曲材料表面反射的几何示意图。（b）当方位角β和弯曲角φ为45°时，半无限石英晶体的反射率R = rr*与入射角θ和波数ω的关系。（c）当弯曲角φ = 45°，波数为540 cm⁻¹时，反射率在波矢空间k_x−k_y的分布

为了进一步证实互易双曲材料中的非对称反射特性，该团队采用石英晶体进行了红外反射测量，并使用TM偏振光束以固定角度入射。理论计算与实验测量的结果如图2（b）所示，体现出了较好的一致性。

图2（a）实验装置示意图（b）当入射角度θ = 30°、弯曲角度φ = 45°时，晶体石英表面反射光谱的理论和实验结果

该团队为了进一步解释石英晶体的非对称反射特性，将反射光的TM和TE分量进行分离，如图3（a）和（b）所示。通过与图1（c）的结果比较可知，反射光TM分量相互对称，而TE分量在k_x方向上高度不对称，表明非对称反射特性归因于交叉偏振转换。

此外，该团队还进行了红外反射测量，实验结果与模拟结果非常吻合，也进一步证实了石英晶体的非对称反射特性是由偏振转换引起的。

图3（a）TM偏振和（b）TE偏振入射时，石英晶体表面反射的几何示意图。（c）波数为540 cm⁻¹时，（a）TM偏振和（b）TE偏振入射的反射率在波矢空间k_x−k_y的分布。使用TM偏振入射的实验装置，输出（e）是TM偏振光，（f）是TE偏振光。反射光（g）TM偏振和（h）TE偏振分量的理论和实验结果

最后，该团队进一步研究了薄膜厚度对石英晶体非对称反射特性的影响。如图4（b）所示，当厚度从1 µm增加到10 µm时，这种非对称反射特性显著增强；但当厚度超过10 µm时，这种特性在特定频率下没有明显变化。值得一提的是，在考虑有限厚度材料时，还可以通过入射旋转平面和各向异性旋转平面的结合引入非对称光传播效应，如不对称吸收。到目前为止，虽然对各向异性旋转的有限系统已有研究，但没有考虑旋转入射平面的影响。通过将这两者结合，可能使光在有限双曲晶体中传播的可控性达到新的高度。

图4（a）半无限大石英晶体表面反射光的TE分量与入射角θ和波数ω的关系。（b）不同厚度石英晶体的反射率随入射角的变化图。（c）使用TE偏振光入射的反射率测量示意图。（d）石英晶体表面反射光与方位角β的关系

04 总结和展望

该团队分别从理论研究和实验验证两方面出发，以石英晶体为例，证明了在互易双曲材料中可以实现高度的非对称反射，这种非对称性源于两个线性偏振光之间的不对称交叉偏振转换。因此，这类材料可以在远红外频率作为磁光材料更合适的替代材料。

此外，由于不需要外加磁场或低温等环境，该材料还可以应用于电子设备中。通过使用方位角来实现上述功能，容易让人联想到最近在二维系统中使用的“魔角”。该成果有望促进发现范德华结构中的新物理现象，并可能在单向发射、变换光学等领域有潜在应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00551

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编辑 | 方紫璇

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