负折射现象再添一篇Science

一、【导读】

作为物理学中的一种基本现象，折射，即一束光在穿过两种介质之间时界面时传播方向会改变，如果折射光与入射光出现在界面法线的同一侧，则称之为负折射（negative refraction）。实际上，早在1968年俄国科学家Veselago就提出此概念，自然界中至今未发现天然存在的负折射材料，直到本世纪初才实现人工制备，这种具有介电常数ε和磁导率μ同时为负的材料在人造超材料和超晶格中得到了证实。研究表明，具有负折射性质的材料会改变发射、非线性光学，而且还可能捕获光以及产生“完美”透镜效应。同时，具有主轴旋转错位的各向异性超结构之间的界面也可以实现负折射，由双曲材料（HMs）提供的极端各向异性，其中混合的光-物质模式-极化激元的界面上会表现出全角度的负折射。

二、【成果掠影】

在此，美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach教授（通讯作者）研发了一种由氧化钼（MoO₃）和同位素纯的六方氮化硼（h¹¹BN）组成双曲异质双晶体，探索了其中的负折射现象。结果表明，基于高光谱纳米成像数据，显示了h¹¹BN-MoO₃异质双晶体内极化子射线的定位、负折射以及闭环循环。极化子是红外光子和晶格振动的混合体，形成准直射线，当通过两种双曲范德华材料（h¹¹BN-MoO₃），平面界面时表现出负折射。在一个特殊频率ω₀下，这些光线可以沿着封闭的菱形轨迹循环。且已经证明，极化子本征模显示正负色散区域，由极化级排斥和强耦合导致的多个间隙中断。

相关研究成果以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”为题发表在Science上。

三、【核心创新点】

1.可视化了由h¹¹BN-MoO₃组成的双曲异质双晶体中，声子极化的负折射现象；

2.基于高光谱纳米成像数据，显示了h¹¹BN-MoO₃异质双晶体内极化子射线的定位、负折射以及闭环循环

四、【数据概览】

图1双曲异质双晶中的极化© 2023 AAAS

（A）介电常数的实际组成部分；

（B）极化激子等频率表面的切割示意图；

（C）由h¹¹BN-MoO₃组装的双晶体中极化子射线示意图。

图2极化子的负折射© 2023 AAAS

（A）从h¹¹BN-MoO₃-Au的顶部表面来看的成像数据；

（B）基于MoO₃-Au表面获得的数据，以与（A）相同的方式显示；

（C）实际空间坐标中的曲线。

图3异质双晶色散中的光谱间隙© 2023 AAAS

（A）ω≫ω₀的h¹¹BN（红色）和MoO₃（蓝色）的射线轨迹示意图；

（B）振幅数据；

（C）计算的h¹¹BN-MoO₃中的真实室温损失；

（D）在损失消失的理想情况下的曲线，其中双晶色散用黑线表示。

五、【成果启示】

综上所述，本文引入了双曲异质双晶极化子。结果表明，h¹¹BN-MoO₃中的界面极化表现出负折射、光谱间隙、强耦合和局域化。同时，异质双晶体的这些属性与使用的光子应用广泛相关。此外，异双晶体中的极化子可以聚焦于亚衍射受限的光斑大小，且可以通过负折射实现完美的透镜化。然而，可达到的焦点可能会受到外部因素的限制，包括晶体损失和不完美的极化激子发射器。此外，与法布里-珀罗腔类似，负折射可以使异双晶纳米腔中以封闭循环传播。

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

本文由材料人CYM编译供稿。