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近日, 我校物理学院杨元杰教授团队与合作者以“Direct Observation of Unidirectional Exciton Polaritons in Layered van der Waals Semiconductors”为题在Advanced Materials上发表了重要研究成果，并入选当期封面论文(Cover Picture)。团队的博士生白毅华和颜佳典、张庆副教授为共同第一作者，杨元杰教授、张庆副教授和南洋理工大学助理教授Guangwei Hu为共同通讯作者，电子科技大学为论文第一单位。

自旋轨道耦合（Spin Orbit Coupling，SOC）在电子学和量子力学等领域具有重要意义。在过去20年中，这一概念已扩展到光学及光子学，如不同自旋态下波导模式的单向激发等。纳米尺度上波导模式的单向激发，为各种片上光电技术和自旋电子器件提供了机会，对于量子信息处理以及未来的集成光子器件也是至关重要的。目前，通常利用光栅等结构将近场信号散射到远场，以表征基于自旋轨道耦合的方向性传播。由于远场的观测不能突破瑞利极限，分辨率被限制在微米尺度。杨元杰团队研究表明，利用近场扫描显微镜可以实现对极化激元的近场实空间成像，将分辨率提高到纳米尺度。

研究团队利用散射型扫描近场光学显微镜，通过将自旋光子耦合到原子力显微镜探针，局域于针尖附近的电场被近似为携带入射光圆偏振信息的椭圆偏振偶极子，从而实现了过渡金属二硫化物中单向传播的激子极化激元的直接观测，实现了极高分辨率成像。 由理论推导可知，通过将圆偶极子场扩展为平面波，TM模中px分量激发部分为kx的奇函数，这意味着如果改变偶极子的圆偏振态，TM模会呈现不对称分布。此外，偶极子的py分量激发的TE 模是面内动量kx的偶函数，因此呈对称性分布。随着厚度的增加，TMD材料所支持的波导模式逐渐增多，较薄（小于30nm）厚度的WS2中仅支持TE0模式；对于较厚的材料，则可以观察到具有非对称分布的TM模式。定义单向度为不同圆偏振态入射光所激发的沿+ x 方向传播的振幅比值，即。

不同模式干涉条纹的形成机理如图1所示，入射激光一部分在针尖被散射，另一部分耦合为激子极化激元，传播至材料边缘并散射到自由空间，两部分信号可发生干涉，从而形成明暗相间的干涉条纹。图 1(a)和(b) 分别为不同厚度TMD材料所激发的TE模式及TM模式的成像原理示意图。

图1  不同模式近场实空间干涉原理。(a)TE模的对称分布；(b)TM模的非对称分布

图 2（a）为计算得到WS2 波支持模式的色散图，其中红色五角星表示实验数据。为了排除实验装置本身可能引起的信号强度差异，保证实验观测到的TM 模单向性仅仅由入射光圆偏振引起，因此先通过测量超薄样品中不同圆偏振耦合的TE 模近场信号对整个系统进行校准，计算得到校准值和归一化因子，如图2（b）（d）（f）（h）。此后，保持实验条件不变，在支持多种模式的较厚材料上测试，在近场实空间对单向传导的激子极化激元直接成像，如图2（c）（e）（g）（i）。同时，对干涉条纹做傅里叶变换，得到激子极化激元的不同波矢，材料支持的波导模式随厚度的增加而增多，波矢向更高频率移动。其中，7nm厚度材料中所支持的TE0模的k矢量为1.59 k0，其对应的频谱振幅为1。对于62 nm厚的WS2材料，非对称的TM0 模式的k矢量为1.62k0，其单向性R为0.442；

图2  WS2材料中激子极化激元的实空间纳米成像。(a)色散图；(b)和(c) 分别为TE和TM模式的实验近场信号的傅里叶变换； (d)(f)(h)和 (e)(g)(i)分别为不同厚度材料的形貌图以及不同圆偏振入射光下的干涉振幅信号。

该方法实现了对单向传播的极化激元在近场实空间的直接成像。此外，基于超快泵浦探测近场成像技术，此技术有助于实现在纳米尺度下对光学 SOC 的动力学过程进行实空间直接观测。该工作提供了一种更直接的方法来研究光学自旋轨道耦合和 TMD 材料中的激子极化激元中的物理特性，在光开关、纳米级光操纵以及偏振依赖的光信息处理等方面具有潜在应用潜力。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501669