特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
折射是光学中的一种基本现象，即光线穿过两种介质的分界面后发生方向变化。如果折射光与入射光出现在界面法线的同一侧，则认为折射为"负"。这种不常见的现象在介电常数e和磁导率m同时为负的人工超材料和超晶格中得到了证明。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。
关键问题
双曲材料(HMs)提供了极大的各向异性，其混合的光-物质模式-极化激元-被预测在精心设计的界面上表现出全角负折射，但仍未被证明。负折射改变了光的放大和发射以及非线性光学，也可能导致捕获光和"完美"透镜效应。
新思路
有鉴于此，哥伦比亚大学A. J. Sternbach等人可视化了声子极化激元的负折射现象，它发生在两个天然晶体的界面处。红外光子和晶格振动的极化激元杂化形成的准直光线在通过两个双曲van der Waals材料：氧化钼( MoO3)和同位素纯六方氮化硼(h11BN)之间的平面界面时显示负折射。在特定的频率w0下，这些光线可以沿着闭合的菱形轨迹循环。作者证明：极化激元本征模显示了由极化声子能级排斥和强耦合导致的多个间隙中断的正色散和负色散区域。
作者详细阐明了极化激元的负折射过程，并通过使用扫描近场光学显微镜(SNOM)可视化极化激元。作者通过纳米成像数据明确显示了h11BN-MoO3异质双晶体的负折射，并通过实验观察结合模拟，解析了异质双晶体负折射过程。探讨了异双晶极化元的频动量色散(ω, qx)及其对观测到的负折射的影响，揭示了极化声子波的波长随着入射红外光频率的变化规律，表明了双晶体中的极化激元是耦合模式。1、探究了以前未开发的一类双曲异质双晶体中的极化元研究了以前未开发的一类双曲异质双晶体中的极化元，由两个薄晶体组成，氧化钼(MoO3)和同位素纯六方氮化硼(h11BN)。2、揭示了异质双晶体内部的局域化、负折射和极化电子射线的闭环循环作者利用高光谱纳米成像数据揭示了h11BN-MoO3异质双晶体内部的局域化、负折射和极化电子射线的闭环循环。观测到的效应中心是极化激子色散的间隙，这是从极化激子波的高光谱图像中提取出来的。
技术细节
h11BN(晶体A)和MoO3(晶体B)的双曲电动力学都是由强偶极有源声子产生的。这些共振沿至少一个主轴驱动介电常数为负，其中正的“类介电”正介电常数沿剩余的主方向被保留。通常把极性材料的电磁模称为极化激元，作者在文中详细阐明了极化激元的负折射过程。为了可视化极化激元，使用扫描近场光学显微镜(SNOM)。在SNOM测量中，原子力显微镜的金属化尖端以亚衍射空间分辨率探测光学效应，大致由尖端的半径给出，约为20纳米。为了满足h11BN和MoO3重叠Reststrahlen波段频率内的准单色激发需求，生成了光谱带宽<4cm−1的超频带中红外脉冲。
纳米成像数据明确显示了h11BN-MoO3异质双晶体的负折射。在二氧化硅(SiO2)表面绘制宽度为2ω≈750 nm的金条带。条带沿y轴的锋利边缘增强了红外场，激发了双晶体中的极化元。MoO3晶体被放置在发射装置的顶部，其c轴垂直于条带。获得了温度T=99 K时散射振幅|s|的图像，以使损失最小化。在MoO3表面采集的|s|图像支持了MoO3中圆锥形射线传播的概念，这是双曲介质的特征。接下来，在异双晶体顶部观察纳米光学强度，检测到两个峰之间有相当大的强度，与负折射引导双曲射线到双晶体顶部和底部表面相同的横向位置是一致的。
然后探讨了异双晶极化元的频动量色散(ω, qx)及其对观测到的负折射的影响。按照既定的程序，收集了频率相关的近场振幅作为距离双晶体边缘X的函数的高光谱数据。通过高光谱数据观测揭示了极化声子波的波长随着入射红外光频率的变化规律，表明了双晶体中的极化激元是耦合模式。此外，作者通过模型预测光谱间隙的大小与极化子的速度成比例。异双晶极化元符合强模式耦合的定义:间隙的大小超过了模式的线宽。
展望
总之，在这项工作中，作者介绍了双曲异质双晶极化激元，发现h11BN-MoO3的界面极化元可以表现出负折射、光谱间隙、强耦合和局部化。异质双晶体的这些属性与使用HMs的光子应用广泛相关。此外，异质双晶体中的极化激元可以聚焦到亚衍射限制的光斑大小，这可以通过负折射实现完美的透镜。然而，可获得的焦点可能受到外部因素的限制，包括晶体损耗和不完善的极化激元发射器。此外，类似于Fabry-Pérot腔，负折射可以导致辐射在异双晶体纳米腔中以封闭循环传播。介质损耗仍然是一个挑战，但可以通过主动损耗补偿来缓解。A. J. STERNBACH, et al. Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals. Science, 2023, 379(6632): 555-557.DOI：10.1126/science.adf1065https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1065
