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折射作為一種常見的效應(yīng)，其代表著光束在從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)改變方向的現(xiàn)象。負(fù)折射是一種非直觀但公認(rèn)的效應(yīng)，其中光束在“錯(cuò)誤”方向上彎曲。

在本期的Science中，來自中國國家納米科學(xué)中心的團(tuán)隊(duì)，以及美國哥倫比亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地證明了二維范德華材料界面處的負(fù)折射現(xiàn)象。國家納米科學(xué)中心戴慶研究員和胡海副研究員等人使用帶有石墨烯覆蓋層的α-MoO₃來顯示中紅外（mid-IR）極化子的面內(nèi)負(fù)折射發(fā)生在界面處，并且是柵可調(diào)的。

美國哥倫比亞大學(xué)A. J.?Sternbach教授等人使用MoO₃/h¹¹BN雙晶來表明中紅外極化子的負(fù)折射發(fā)生在界面垂直傳播時(shí)。中紅外中的極化負(fù)折射為光學(xué)和熱應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)，例如紅外超分辨率成像、納米級熱操縱和具有增強(qiáng)靈敏度的化學(xué)傳感器件。

一、國家納米科學(xué)中心戴慶團(tuán)隊(duì)Science

負(fù)折射在光學(xué)、納米電子學(xué)、聲學(xué)和磁性中被廣泛研究，作為一種違反直覺的物理現(xiàn)象，在亞波長成像和隱身等方面具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

在過去的二十年中，該領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，通常使用金屬超材料，介電光子晶體和雙曲超材料，由亞波長晶胞的周期性陣列組成，在這些結(jié)構(gòu)中調(diào)用的超材料限制了它們強(qiáng)烈限制光的能力。

作為替代方案，金屬等離激元在紫外線，可見光和近紅外區(qū)域也表現(xiàn)出負(fù)折射，但這種方法受到可見光和較高頻率下的歐姆損耗，以及紅外范圍內(nèi)空間限制差的限制。因此，盡管具有采樣和控制分子振動(dòng)和熱輻射的潛力，但中紅外和太赫茲域的深亞波長負(fù)折射仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

隨著范德華（vdW）材料的出現(xiàn)，其能夠通過利用其極化子模式的強(qiáng)光學(xué)限制，在寬光譜范圍內(nèi)控制納米尺度的光引入了新的自由度。

最近的理論研究提出了使用vdW極化子來實(shí)現(xiàn)深亞波長中紅外負(fù)折射，例如，在石墨烯的周期陣列中，或使用平面石墨烯和六方氮化硼（h-BN）異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，這些結(jié)構(gòu)中極化子的極端空間限制阻礙了其分散的定制，這種結(jié)構(gòu)固有的反射和散射損耗也使理論概念的實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜化。

國家納米科學(xué)中心戴慶研究員和胡海副研究員，西班牙巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院F.?Javier?García?de?Abajo教授等人證明了在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用混合拓?fù)錁O化子在中紅外頻率下的門可調(diào)諧負(fù)折射。

具體來說，作者在部分修飾有石墨烯的α-MoO₃薄膜中可視化了廣角負(fù)折射極化激子，并進(jìn)行了可逆的平面納米尺度聚焦。同時(shí)，本文的原子厚異質(zhì)結(jié)構(gòu)削弱了界面處的散射損耗，同時(shí)通過電門控實(shí)現(xiàn)了正常折射到負(fù)折射的主動(dòng)可調(diào)轉(zhuǎn)換。

此外，這項(xiàng)工作提出極化負(fù)折射作為紅外應(yīng)用的有前途的平臺(tái)，如電可調(diào)超分辨率成像、納米級熱操縱、增強(qiáng)分子傳感和片上光學(xué)電路。

相關(guān)論文以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”為題發(fā)表在Science。

圖1.?二維極化的負(fù)折射

圖2.?直接觀測納米級負(fù)折射

圖3. 可調(diào)諧負(fù)折射

Hai Hu?*, Na Chen?, Hanchao Teng?, Renwen Yu, Mengfei Xue, Ke Chen, Yuchuan Xiao,

Yunpeng Qu, Debo Hu, Jianing Chen, Zhipei Sun, Peining Li, F. Javier García de Abajo*, Qing Dai*, Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251

二、美國哥倫比亞大學(xué)A. J.?Sternbach團(tuán)隊(duì)Science

折射作為光學(xué)中的一種基本現(xiàn)象，其中光線在穿過兩種介質(zhì)之間的界面后改變方向。如果折射光束與入射光束出現(xiàn)在界面法線的同一側(cè)，則折射被認(rèn)為是“負(fù)”的。

這種罕見的情況在人造超材料和超晶格中得到了證實(shí)，它們的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)。負(fù)折射會(huì)改變光放大和發(fā)射以及非線性光學(xué)，還可能導(dǎo)致捕獲光以及“完美”透鏡，具有主軸旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位的各向異性元結(jié)構(gòu)之間的界面也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。極端各向異性由雙曲材料（HMs）提供，其混合光物質(zhì)模式-極化子-預(yù)計(jì)在精心設(shè)計(jì)的界面處表現(xiàn)出全角度負(fù)折射。

在這項(xiàng)工作中，美國哥倫比亞大學(xué)A. J.?Sternbach教授等人研究了以前未探索的一類由兩個(gè)薄晶體組成的雙曲異質(zhì)雙晶中的極化子，即氧化鉬（MoO₃）和同位素純六方氮化硼（h¹¹BN）。

本文的高光譜納米成像數(shù)據(jù)顯示了MoO₃/h¹¹BN異雙晶體中極化子射線的定位、負(fù)折射和閉環(huán)循環(huán)，觀測到的效應(yīng)的核心是極化子色散中的間隙，從極化波的高光譜圖像中提取了該間隙。

同時(shí)，異質(zhì)雙晶體的這些屬性與使用HMs的光子應(yīng)用廣泛相關(guān)。此外，異雙晶體中的極化子可以聚焦于衍射有限的光斑尺寸，這可以通過負(fù)折射實(shí)現(xiàn)完美的透鏡化。然而，可達(dá)到的焦點(diǎn)可能受到外部因素的限制，包括晶體損耗和不完美的極化發(fā)射器。

更加重要的一點(diǎn)是，與Fabry-Pérot腔類似，負(fù)折射可以導(dǎo)致輻射在異雙晶納米腔中以封閉循環(huán)傳播，并且介電損失仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但可能通過主動(dòng)損失補(bǔ)償來緩解。

相關(guān)論文以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”為題發(fā)表在Science。

圖1. 雙曲異質(zhì)雙晶中的極化子

圖2.?極化子的負(fù)折射

圖3.?異雙晶色散中的光譜間隙

A. J. Sternbach*, S. L. Moore, A. Rikhter, S. Zhang, R. Jing, Y. Shao, B. S. Y. Kim, S. Xu,

S. Liu, J. H. Edgar, A. Rubio, C. Dean, J. Hone, M. M. Fogler, D. N. Basov, Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1065

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