蘇州納米所張興旺團隊Nano Lett.：激子極化激元相位梯度超表面
激子極化激元（Exciton-Polaritons）是由光子和激子相干雜化形成的半光半物質(zhì)的準粒子，它兼具光子的長程相干傳播能力與激子的強場局域特性，為高密度集成光子器件的發(fā)展開辟了新路徑。然而，當前激子極化激元體系仍缺乏像素級的相位調(diào)控自由度，這極大地限制了對其波前的精準操控。
針對這一核心挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團隊將二硫化鎢（WS2）薄膜進行圖形化處理，構(gòu)建了相位梯度超構(gòu)表面。其中，橢圓形WS2納米盤支持的米氏諧振與材料本征A激子在室溫下發(fā)生強耦合，形成了拉比劈裂能高達150 meV的自雜化激子極化激元。這一設(shè)計帶來了雙重優(yōu)勢：一方面將場高效束縛在亞波長尺度，另一方面利用橢圓結(jié)構(gòu)的強雙折射特性顯著提升了圓偏振光的轉(zhuǎn)換效率。
圖1：激子極化激元超表面工作原理示意圖
在此基礎(chǔ)上，團隊進一步引入幾何相位原理，通過精確控制每個納米橢圓盤的面內(nèi)取向角，實現(xiàn)了出射信號0至2π的全相位連續(xù)覆蓋。憑借這一像素級的波前調(diào)控能力，實驗清晰觀測到極化激元透射信號的異常折射與聚焦現(xiàn)象。
這項工作將激子極化激元的強場束縛與超表面的靈活波前調(diào)控有機融合：極化激元增強了超原子的光場局域與偏振轉(zhuǎn)換效率，并有效抑制了單元間串擾；而相位梯度超表面則為極化激元提供了精準的線性和非線性波前調(diào)控手段。該成果為未來開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣的激子極化激元器件開辟了新的技術(shù)路徑。
該工作以Unlocking Wavefront Manipulation in Exciton-Polaritons by Structuring WS2 as Phase Gradient Metasurfaces為題發(fā)表在Nano Letters上。中國科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)培碩士生丁凱和博士生王櫟灃為該論文的共同第一作者，張興旺研究員為論文通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省科學(xué)技術(shù)廳和蘇州市科學(xué)技術(shù)局等項目的支持，同時也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）、納米加工平臺的支持。
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