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导读: 科研人员发现了一种天然双曲材料,该材料具有被称为面内双曲性(in-plane hyperbolicity)的极端光学性质。该发现有可能将红外光学元件变得更为小巧。

据麦姆斯咨询报道,科研人员发现了一种天然双曲材料,该材料具有被称为面内双曲性(in-plane hyperbolicity)的极端光学性质。该发现有可能将红外光学元件变得更为小巧。

双曲材料对沿某一轴的光具有高反射,并沿垂直轴进行光反射。通常情况下,其中某个轴在材料平面内,另一个轴在该平面之外。而两轴都在同一平面内的材料就能够被用来制造如超薄波片(ultrathin waveplate)等可改变入射光偏振的光学元件。此外,这种材料的反射特性允许光在极小尺寸范围内(小于光波波长的百分之一)被操纵和限制。Ma等人将该研究发表在《自然》杂志上,论文题目为“In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal”,详细阐述了天然材料三氧化钼(molybdenum trioxide,MoO3)存在的这种面内双曲性。

许多晶体都表现出双折射,在这种情况下,其折射率(测量材料中光速的指标)沿不同轴而有所区别。此性质可用于控制入射光的偏振。在实际应用中,实现充分偏振控制所需的晶体尺寸与入射光波长和双折射强度成正比。因此,电磁波谱的中远红外区域(波长范围3μm - 300μm),通常要求晶体厚度需达到几毫米。为满足这一要求,可能的解决方案是考虑具有双曲性的材料,这是一种双折射的极端形式。

双曲性最初被认为只存在于包含集成反射和透明域的人造材料中。但2014年研究人员在天然材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride)中观察到了这种特性。该材料和三氧化钼的反射行为均来自于晶格振动(crystal-lattice vibration),即以高度各向异性(取决于方向)方式振荡的光学声子(optical phonon)。这些声子的寿命相对较长(寿命时长超过1皮秒),这强烈抑制了材料对光的吸收。自从在六方氮化硼中发现双曲性以来,研究者已鉴定出多种天然双曲材料。

今年早些时候有研究报道了三氧化钼的初步研究情况,结果表明对长波红外光(波长为8μm~14μm)存在双曲性。Ma和同事目前已证明并表征了相同光谱范围内的面内双曲性。他们利用这种特性,通过形成称为双曲声子极化激元(hyperbolic phonon polariton)的混合光与物质激发,将光限制在比其波长小得多的尺寸上。研究表明,这种极化激元的寿命长达20皮秒,是六方氮化硼最长寿命的10倍。

由于三氧化钼的晶体结构具有高度各向异性,因此定义晶体单位晶胞边缘的三个晶体轴的长度均不同。因此,与这些轴相关的声子能量和相应折射率均存在很大差异,导致约0.31的双折射。值得注意的是,今年早些时候有研究显示,用于中波红外到长波红外的天然材料硫化钡钛(Barium titanium sulfide)存在0.76的同样大平面内双折射。然而,这种材料并未观察到双曲性。

 天然双曲材料有望颠覆现有红外光学元件

图1 控制红外偏振。Ma等人的研究表明,三氧化钼等材料可用于精确控制红外光偏振。图a中的光学元件被称为波片,可将线性偏振光转换为圆偏振光。在红外波段,传统材料制成的波片厚度通常超过1mm。该材料可利用三氧化钼薄板来代替,厚度仅为几十微米。图b中的元件被称为偏振片,可将非偏振光(偏振指向所有方向)转换成线性偏振光。在红外波段,用传统材料制成的偏振片通常需要很厚,并使用大量金属线栅。这种结构可以用基本不需要制造的三氧化钼薄膜代替。图c为由传统材料制成的纳米级光子结构,可发射非偏振红外光。但如果使用三氧化钼,就可实现线性偏振发射。

三氧化钼的面内双曲性为小尺寸光学元件代替传统光学元件提供了机会。特别是,利用该材料(或硫化钡钛)的大平面内双折射,红外波片可以由厚度为几十微米的薄板构成(图1a)。这种波片可以在长波红外波段工作,对于该波段,市售波片非广泛可得,且其厚度也超过了1mm。

此外,利用该材料的平面内双曲性,偏振元件可以由简单的1μm厚度的薄膜制成(图1b),偏振片可以有选择地让某个方向振动的入射光通过。传统偏振片需要更厚,通常还需在其表面形成大量的金属线栅。因此,三氧化钼的显著特性可以大大降低光学元件的尺寸和成本,并且在薄而紧凑型红外器件中具有普适性。

除了传统光学元件,三氧化钼的这种特性还可能推动纳米光子学领域的进展,该领域的重点是将光限制在纳米级尺寸。该材料可在长波红外波段观察到双曲性,而纳米级的光限制必然意味着突破衍射极限,通常情况下光不能被集中到比其波长小得多的尺寸。三氧化钼可以突破这一限制,因此为生产改进型红外发射器件提供了机会。

例如,由支持极化激元的材料制成的加热纳米级光子结构,可产生一种或多种特定频率的光,而非普通灯泡发出的宽频率范围的光。这种结构提供了类似发光二极管的光源,这种光源可设计成在存在红外线的任何地方工作。另外,这些光子结构发射的光通常是非偏振的(图1c)。只有利用具有面内双曲性的材料,才能产生单一的纯偏振光。

最后,诸如三氧化钼等双曲性材料还可作为超透镜的基础材料,超透镜可对比成像光波长小的物体产生放大图像。这类材料也可用于异质结构(将不同材料层相结合的结构),以制造具有可控特性的纳米光子学元件。

Ma和同事的研究工作再次证明:大自然给予我们的东西远比我们想象的要多。纳米光子学的未来曾一度被认为是需要通过人工材料实现的,但这项研究和过去几年的其他研究都表明:在许多情况下,寻找先进材料的最佳途径是在大量自然材料中寻找。这些研究的成果为红外光学和纳米光子学领域贡献了实质性进展,或能使红外成像及探测像可见光成像那样普及,让现场急救人员“透视”烟雾、即时医学诊断以及增强化学光谱学等愿景成为可能。

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