双曲線フォノン極性伝播の屈折率ベースの制御

双曲線フォノンポラリトン（HPHP）は、異方性媒体の赤外線光子から極性フォノンの結合と、長波長光をナノスケールのボリュームに閉じ込めると生成されます。ただし、赤外線光学のHPHPの潜在能力を完全に実現するには、導視から赤外線センシングまでのアプリケーションに適した基板の伝播および損失メカニズムを理解することが重要です。散乱型スキャンニアフィールド光学顕微鏡（S-SNOM）およびナノファウリエルムエイの赤外線（FTIR）分光法を分析および数値計算と協調して、複雑な基板誘電率の関数としてHPHP特性を解明します。懸濁液、誘電体、金属基質の伝播を考慮して、厚さ正規化された波線を誘電体から金属挙動に変更するだけで25倍に減少できることを実証します。さらに、損失のある材料に誘電関数に想像上の寄与を組み込むことにより、波動ベクトルは、損失またはキャリア密度の小さな局所的な変動によって動的に制御できます。直感に反して、高次のHPHPモードは、これらのポラリトンのエヴァネッセント範囲の劇的な違いにもかかわらず、ポラリトン波動ベクトルに基本モードと同じ変化を示すことが示されています。ただし、ポラリトンの屈折は波止場の分数変化によって決定されるため、これは依然としてポラリトン屈折に有意な違いをもたらし、高次HPHPの基質誘導損失に対する感度の低下をもたらします。したがって、このような効果は、異なる順序の双曲線モードを空間的に分離し、インデックスベースのセンシングスキームに使用することができます。私たちの結果は、基本的な双曲線極性の励起と、オンチップフォトニクスと平面メタサーフェス光学の可能性についての理解を促進します。

Hyperbolic phonon polaritons (HPhPs) are generated when infrared photons couple to polar optic phonons in anisotropic media, confining long-wavelength light to nanoscale volumes. However, to realize the full potential of HPhPs for infrared optics, it is crucial to understand propagation and loss mechanisms on substrates suitable for applications from waveguiding to infrared sensing. We employ scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) and nano-Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, in concert with analytical and numerical calculations, to elucidate HPhP characteristics as a function of the complex substrate dielectric function. We consider propagation on suspended, dielectric and metallic substrates to demonstrate that the thickness-normalized wavevector can be reduced by a factor of 25 simply by changing the substrate from dielectric to metallic behavior. Moreover, by incorporating the imaginary contribution to the dielectric function in lossy materials, the wavevector can be dynamically controlled by small local variations in loss or carrier density. Counterintuitively, higher-order HPhP modes are shown to exhibit the same change in the polariton wavevector as the fundamental mode, despite the drastic differences in the evanescent ranges of these polaritons. However, because polariton refraction is dictated by the fractional change in the wavevector, this still results in significant differences in polariton refraction and reduced sensitivity to substrate-induced losses for the higher-order HPhPs. Such effects may therefore be used to spatially separate hyperbolic modes of different orders and for index-based sensing schemes. Our results advance our understanding of fundamental hyperbolic polariton excitations and their potential for on-chip photonics and planar metasurface optics.