解开晶体材料中深层光学极化的谜题

纳米光子学是研究光-物质在介质尺度小于辐射波长的尺度上的相互作用，广泛应用于等离子体波导、拓扑光子晶体、超透镜、太阳能吸收器和红外成像等领域。描述这些效应的物理现象可使用宏观均匀折射率。然而，针对晶体材料中光学极化的晶格水平描述尚未得到量子理论的解决。灵感来自电子波及其相应能带结构的动力学，我们提出了适用于光学极化的微观光学能带理论。该框架揭示了晶格内部隐藏的传播波。这些隐藏波源于晶体-光学-折射率（crystal-optical-indices），是一族遵循晶体对称性的量子函数，无法用常规的折射率概念来描述。我们首次展示了这些隐藏波和 14 种不同材料的深层微观光学能带结构。我们选取了来自 IV、III-V 和 II-VI 族的 Si、Ge、InAs、GaAs、CdTe 等材料，由于其技术相关性，但该框架可以扩展到广泛的新兴二维和三维材料。与当今广泛使用的这些材料的宏观折射率不同，本框架显示隐藏波贯穿整个晶格，并具有独特的光学极化纹理和拥挤。我们还提供了一个开源软件包 Purdue-Picomax，供研究社区发现新材料（如 hBN、石墨烯和莫尔材料）中的隐藏波。我们的工作为发现光-物质相互作用中新型深层微观光波提供了晶体学特征。