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原創丨彤心未泯（學研匯技術中心）
編輯丨風云
研究背景
折射是光學中的一種基本現象，即光線穿過兩種介質的分界面后發生方向變化。假如折射光與入射光出現在界面法線的同左邊，則覺得折射為"負"。這些不常見的現象在介電常數e和磁導率m同時為負的人工超材料和超晶格中得到了證明。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。
關鍵問題
但是，負折射的相關研究仍存在以下問題：
1、雙曲材料的負折射現象仍需進一步探究
雙曲材料(HMs)提供了極大的各向異性，其混和的光-物質模式-極化鈮酸鋰-被預測在悉心設計的界面上表現出半角負折射光折射時波長會變化嗎，但尚未被證明。
2、負折射的深入探究具有重要意義
負折射改變了光的放大和發射以及非線性光學，也可能造成捕獲光和"完美"透鏡效應。
新思路
有鑒于此光折射時波長會變化嗎，羅馬尼亞學院A.J.等人可視化了聲子極化鈮酸鋰的負折射現象，它發生在兩個天然晶體的界面處。紅外光子和晶格震動的極化鈮酸鋰介孔產生的準直光線在通過兩個雙曲vanderWaals材料：氧化鉬(MoO3)和核素純六方滲碳硼(h1111BN)之間的平面界面時顯示負折射。在特定的頻度w0下，這種光線可以順著閉合的矩形軌跡循環。作者證明：極化鈮酸鋰本征模顯示了由極化聲子基態敵視和強耦合引起的多個間隙中斷的正色散和負色散區域。
技術方案：
1、闡明了雙曲異質雙晶體中的極化鈮酸鋰
作者詳盡闡述了極化鈮酸鋰的負折射過程，并通過使用掃描近場光學顯微鏡(SNOM)可視化極化鈮酸鋰。
2、觀察了異質雙晶體的負折射
作者通過納米成像數據明晰顯示了h11BN-MoO3異質雙晶體的負折射，并通過實驗觀察結合模擬，解析了異質雙晶體負折射過程。
3、揭示了異晶雙晶體色散中的波譜間隙演化規律
闡述了異雙晶極化元的頻動量色散(ω,qx)及其對觀測到的負折射的影響，闡明了極化聲子波的波長隨著入射紅外光頻度的變化規律，表明了雙晶體中的極化鈮酸鋰是耦合模式。
技術優勢：
1、探究了先前未開發的一類雙曲異質雙晶體中的極化元
研究了先前未開發的一類雙曲異質雙晶體中的極化元，由兩個薄晶體組成，氧化鉬(MoO3)和核素純六方滲碳硼(h1111BN)。
2、揭示了異質雙晶體內部的局域化、負折射和極化電子射線的閉環循環
作者借助高波譜納米成像數據闡明了h11BN-MoO3異質雙晶體內部的局域化、負折射和極化電子射線的閉環循環。觀測到的效應中心是極化激子色散的間隙，這是從極化激子波的高波譜圖象中提取下來的。
技術細節
雙曲異質雙晶體中的極化鈮酸鋰
h11BN(晶體A)和MoO3(晶體B)的雙曲電動熱學都是由強偶極有源聲子形成的。這種共振沿起碼一個主軸驅動介電常數為負，其中正的“類介電”正介電常數沿剩余的主方向被保留。一般把極性材料的電磁模稱為極化鈮酸鋰，作者在文中詳盡闡述了極化鈮酸鋰的負折射過程。為了可視化極化鈮酸鋰，使用掃描近場光學顯微鏡(SNOM)。在SNOM檢測中，原子力顯微鏡的金屬化尖端以亞衍射空間幀率偵測光學效應，大致由尖端的直徑給出，約為20納米。為了滿足h1111BN和MoO3重疊波段頻度內的準單色迸發需求，生成了波譜帶寬?1的開核帶中紅外脈沖。
圖雙曲異質雙晶體中的極化鈮酸鋰
異質雙晶體的負折射
納米成像數據明晰顯示了h11BN-MoO3異質雙晶體的負折射。在氫氧化鋁(SiO2)表面勾畫長度為2ω≈750nm的金條帶。條帶沿y軸的鋒利邊沿提高了紅外場，迸發了雙晶體中的極化元。MoO3晶體被放置在發射裝置的底部，其c軸垂直于條帶。獲得了氣溫T=99K時散射振幅|s|的圖象，以使損失最小化。在MoO3表面采集的|s|圖象支持了MoO3中圓柱形射線傳播的概念，這是雙曲介質的特點。接出來，在異雙晶體底部觀察納米光學硬度，測量到兩個峰之間有相當大的硬度，與負折射引導雙曲射線到雙晶體底部和頂部表面相同的縱向位置是一致的。
圖極化鈮酸鋰的負折射
異晶雙晶體色散中的波譜間隙
之后闡述了異雙晶極化元的頻動量色散(ω,qx)及其對觀測到的負折射的影響。根據既定的程序，搜集了頻度相關的近場振幅作為距離雙晶體邊沿X的函數的高波譜數據。通過高波譜數據觀測闡明了極化聲子波的波長隨著入射紅外光頻度的變化規律，表明了雙晶體中的極化鈮酸鋰是耦合模式。據悉，作者通過模型預對焦譜間隙的大小與極化子的速率成比列。異雙晶極化元符合強模式耦合的定義:間隙的大小超過了模式的線寬。
圖異晶雙晶體色散中的波譜間隙
展望
其實，在這項工作中，作者介紹了雙曲異質雙晶極化鈮酸鋰，發覺h11BN-MoO3的界面極化元可以表現出負折射、光譜間隙、強耦合和局部化。異質雙晶體的這種屬性與使用HMs的光子應用廣泛相關。據悉，異質雙晶體中的極化鈮酸鋰可以聚焦到亞衍射限制的光斑大小，這可以通過負折射實現完美的透鏡。但是，可獲得的焦點可能遭到外部誘因的限制，包括晶體耗損和不健全的極化鈮酸鋰發射器。據悉，類似于Fabry-Pérot腔，負折射可以造成幅射在異雙晶體納米腔中以封閉循環傳播。介質耗損依然是一個挑戰，但可以通過主動耗損補償來減緩。
參考文獻：
A.J.,etal.in-.,2023,379(6632):555-557.
DOI：10.1126/.
同步幅射丨球差電鏡丨FIB-TEM
原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR
加急測試
李老師
學研匯技術總監
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