負折射現象再添一篇Science

一、【導讀】

作為物理學中的一種基本現象，折射，即一束光在穿過兩種介質之間時界面時傳播方向會改變，如果折射光與入射光出現在界面法線的同一側，則稱之為負折射（negative refraction）。實際上，早在1968年俄國科學家Veselago就提出此概念，自然界中至今未發現天然存在的負折射材料，直到本世紀初才實現人工制備，這種具有介電常數ε和磁導率μ同時為負的材料在人造超材料和超晶格中得到了證實。研究表明，具有負折射性質的材料會改變發射、非線性光學，而且還可能捕獲光以及產生“完美”透鏡效應。同時，具有主軸旋轉錯位的各向異性超結構之間的界面也可以實現負折射，由雙曲材料（HMs）提供的極端各向異性，其中混合的光-物質模式-極化激元的界面上會表現出全角度的負折射。

二、【成果掠影】

在此，美國哥倫比亞大學A. J. Sternbach教授（通訊作者）研發了一種由氧化鉬（MoO₃）和同位素純的六方氮化硼（h¹¹BN）組成雙曲異質雙晶體，探索了其中的負折射現象。結果表明，基于高光譜納米成像數據，顯示了h¹¹BN-MoO₃異質雙晶體內極化子射線的定位、負折射以及閉環循環。極化子是紅外光子和晶格振動的混合體，形成準直射線，當通過兩種雙曲范德華材料（h¹¹BN-MoO₃），平面界面時表現出負折射。在一個特殊頻率ω₀下，這些光線可以沿著封閉的菱形軌跡循環。且已經證明，極化子本征模顯示正負色散區域，由極化級排斥和強耦合導致的多個間隙中斷。

相關研究成果以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”為題發表在Science上。

三、【核心創新點】

1.可視化了由h¹¹BN-MoO₃組成的雙曲異質雙晶體中，聲子極化的負折射現象；

2.基于高光譜納米成像數據，顯示了h¹¹BN-MoO₃異質雙晶體內極化子射線的定位、負折射以及閉環循環

四、【數據概覽】

圖1雙曲異質雙晶中的極化? 2023 AAAS

（A）介電常數的實際組成部分；

（B）極化激子等頻率表面的切割示意圖；

（C）由h¹¹BN-MoO₃組裝的雙晶體中極化子射線示意圖。

?

圖2極化子的負折射? 2023 AAAS

（A）從h¹¹BN-MoO₃-Au的頂部表面來看的成像數據；

（B）基于MoO₃-Au表面獲得的數據，以與（A）相同的方式顯示；

（C）實際空間坐標中的曲線。

圖3異質雙晶色散中的光譜間隙? 2023 AAAS

（A）ω?ω₀的h¹¹BN（紅色）和MoO₃（藍色）的射線軌跡示意圖；

（B）振幅數據；

（C）計算的h¹¹BN-MoO₃中的真實室溫損失；

（D）在損失消失的理想情況下的曲線，其中雙晶色散用黑線表示。

五、【成果啟示】

綜上所述，本文引入了雙曲異質雙晶極化子。結果表明，h¹¹BN-MoO₃中的界面極化表現出負折射、光譜間隙、強耦合和局域化。同時，異質雙晶體的這些屬性與使用的光子應用廣泛相關。此外，異雙晶體中的極化子可以聚焦于亞衍射受限的光斑大小，且可以通過負折射實現完美的透鏡化。然而，可達到的焦點可能會受到外部因素的限制，包括晶體損失和不完美的極化激子發射器。此外，與法布里-珀羅腔類似，負折射可以使異雙晶納米腔中以封閉循環傳播。

原文詳情：“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”（Science，2023，10.1126/science.adf1065）

本文由材料人CYM編譯供稿。