2025年12月16日，北京市科学技术研究院彭瑞光副研究员与清华大学机械工程系赵乾教授团队合作在Matter期刊上发表了题为“Standing surface wave for anapole”的研究成果。该成果提出了一种利用等离激元结构光场操控电磁多极矩间相互作用的新型策略，针对介质-表面等离激元复合系统中电磁多极矩的选择性激发进行了综合研究，验证了一种表面驻波激发的非辐射源anapole及其与谐振辐射模态之间的动态切换。论文通讯作者是赵乾、彭瑞光；第一作者是彭瑞光。
电磁多极矩之间的干扰与相互作用是纳米尺度光操纵的基础，而多极矩调控则是基于米氏散射的纳米光子学中的核心概念之一。传统调控方法往往依赖于对谐振子几何结构或材料特性的精细设计，以一种源于环形偶极矩和笛卡尔电偶极矩干涉相消的经典非辐射源anapole为例，对anapole观测与研究的主要难点在于其散射零点通常被其他电磁多极矩的散射贡献所掩盖。为抑制其余多极矩通道的能量辐射，由金属单元构成的人工结构被首先提出，但通常结构复杂，制备困难，且在光学波段欧姆损耗不可忽视。调节特殊形状介质颗粒的纵横比提供了另一种思路，但可调性有限，难以完全消除开放通道的散射贡献。虽然材料参数为多极矩调控提供了额外自由度，但获得具有特定各向异性电磁参数的基础材料尤为困难。值得注意的是，采用结构光照射，例如两束强度相同但相位相反的径向偏振光束，能够在简单介质颗粒中激发anapole，并避免四极矩的干扰，但该方法复杂且尚未经实验验证。
现有文献报道大多基于空间光对anapole的激发，而其他激发方式（如表面波）的研究鲜有报道。用表面波替代空间光不仅能促进功能器件的小型化与集成化，还能通过设计电磁近场分布为光-物质相互作用提供更精准的调控。更重要的是，借助表面波耦合器产生表面等离激元，可通过改变入射光束偏振态动态地调控场分布模式，从而实现有趣的偏振复用功能。作者提出并探索了通过调控驻波相位对不同散射对称性的电磁多极矩进行选择性激发的理论机制，将该机制与表面等离激元结构光场相结合，首次验证了一种利用表面驻波在介质颗粒中激发anapole态的简易方案，从而规避了复杂结构设计、各向异性材料参数或特殊结构光照明等难题（图1）。
图1：驻波对电磁多极矩的选择性激发与表面波激发anapole示意图。
所提出的利用驻波调控多极矩乃至抑制高阶多极矩的理论具有普适性，简单来说，通过改变驻波的波节/波腹位置，可以选择性地激发具有相反散射对称性的电磁多极矩（图2）。不仅如此，在引入表面波耦合器后，该方法通过改变入射偏振方向还能够实现散射特性的主动调控。作为原理性验证，作者在微波段实验验证了偏振控制的非辐射态与谐振辐射态之间的切换（图3）。在介质颗粒的anapole与磁偶极谐振重叠频率处，散射暗模与明模之间实现了近乎100%调制深度的切换，通过调节入射偏振角度还可以获得明-暗模之间的散射强度。这一光学开关的概念为设计新型可调谐器件开阔了思路，甚至能够通过将表面波替换为导波的方式，将之拓展至集成光子学领域。
图2：不同平面波激发模式下介质颗粒散射的多极矩分解。
图3：偏振控制的介质颗粒电磁散射特性切换。
此外，将驻波模式的对称性由C2v提升至C4v，即在垂直方向上采用两对驻波照射，能够进一步抑制高阶多极矩，彻底消除四极矩的干扰，为实现理想的光学anapole提供更完美的方案（图4）。
图4：C4v对称性的双驻波激发下的理想anapole。
总而言之，作者基于介质-等离激元复合系统，提出了一种选择性激发电磁多极矩的普适理论，以及利用表面波替代空间波的激发方式。首次报道了表面驻波激发的经典非辐射源anapole，为在单一介质颗粒中设计可切换的辐射态开辟了新路径。等离激元结构光场与介质纳米颗粒的独特组合，为调控光与物质相互作用提供了灵活平台，有望推动散射相关的基础研究与应用发展。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102548
