據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，科研人員發(fā)現(xiàn)了一種天然雙曲材料，該材料具有被稱為面內(nèi)雙曲性（in-plane hyperbolicity）的極端光學(xué)性質(zhì)。該發(fā)現(xiàn)有可能將紅外光學(xué)元件變得更為小巧。
雙曲材料對(duì)沿某一軸的光具有高反射，并沿垂直軸進(jìn)行光反射。通常情況下，其中某個(gè)軸在材料平面內(nèi)，另一個(gè)軸在該平面之外。而兩軸都在同一平面內(nèi)的材料就能夠被用來(lái)制造如超薄波片（ultrathin waveplate）等可改變?nèi)肷涔馄竦墓鈱W(xué)元件。此外，這種材料的反射特性允許光在極小尺寸范圍內(nèi)（小于光波波長(zhǎng)的百分之一）被操縱和限制。Ma等人將該研究發(fā)表在《自然》雜志上，論文題目為“In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal”，詳細(xì)闡述了天然材料三氧化鉬（molybdenum trioxide，MoO3）存在的這種面內(nèi)雙曲性。
許多晶體都表現(xiàn)出雙折射，在這種情況下，其折射率（測(cè)量材料中光速的指標(biāo)）沿不同軸而有所區(qū)別。此性質(zhì)可用于控制入射光的偏振。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)充分偏振控制所需的晶體尺寸與入射光波長(zhǎng)和雙折射強(qiáng)度成正比。因此，電磁波譜的中遠(yuǎn)紅外區(qū)域（波長(zhǎng)范圍3μm - 300μm），通常要求晶體厚度需達(dá)到幾毫米。為滿足這一要求，可能的解決方案是考慮具有雙曲性的材料，這是一種雙折射的極端形式。
雙曲性最初被認(rèn)為只存在于包含集成反射和透明域的人造材料中。但2014年研究人員在天然材料六方氮化硼（hexagonal boron nitride）中觀察到了這種特性。該材料和三氧化鉬的反射行為均來(lái)自于晶格振動(dòng)（crystal-lattice vibration），即以高度各向異性（取決于方向）方式振蕩的光學(xué)聲子（optical phonon）。這些聲子的壽命相對(duì)較長(zhǎng)（壽命時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1皮秒），這強(qiáng)烈抑制了材料對(duì)光的吸收。自從在六方氮化硼中發(fā)現(xiàn)雙曲性以來(lái)，研究者已鑒定出多種天然雙曲材料。
今年早些時(shí)候有研究報(bào)道了三氧化鉬的初步研究情況，結(jié)果表明對(duì)長(zhǎng)波紅外光（波長(zhǎng)為8μm~14μm）存在雙曲性。Ma和同事目前已證明并表征了相同光譜范圍內(nèi)的面內(nèi)雙曲性。他們利用這種特性，通過(guò)形成稱為雙曲聲子極化激元（hyperbolic phonon polariton）的混合光與物質(zhì)激發(fā)，將光限制在比其波長(zhǎng)小得多的尺寸上。研究表明，這種極化激元的壽命長(zhǎng)達(dá)20皮秒，是六方氮化硼最長(zhǎng)壽命的10倍。
由于三氧化鉬的晶體結(jié)構(gòu)具有高度各向異性，因此定義晶體單位晶胞邊緣的三個(gè)晶體軸的長(zhǎng)度均不同。因此，與這些軸相關(guān)的聲子能量和相應(yīng)折射率均存在很大差異，導(dǎo)致約0.31的雙折射。值得注意的是，今年早些時(shí)候有研究顯示，用于中波紅外到長(zhǎng)波紅外的天然材料硫化鋇鈦（Barium titanium sulfide）存在0.76的同樣大平面內(nèi)雙折射。然而，這種材料并未觀察到雙曲性。
控制紅外偏振。Ma等人的研究表明，三氧化鉬等材料可用于精確控制紅外光偏振。圖a中的光學(xué)元件被稱為波片，可將線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。在紅外波段，傳統(tǒng)材料制成的波片厚度通常超過(guò)1mm。該材料可利用三氧化鉬薄板來(lái)代替，厚度僅為幾十微米。中的元件被稱為偏振片，可將非偏振光（偏振指向所有方向）轉(zhuǎn)換成線性偏振光。在紅外波段，用傳統(tǒng)材料制成的偏振片通常需要很厚，并使用大量金屬線柵。這種結(jié)構(gòu)可以用基本不需要制造的三氧化鉬薄膜代替。為由傳統(tǒng)材料制成的納米級(jí)光子結(jié)構(gòu)，可發(fā)射非偏振紅外光。但如果使用三氧化鉬，就可實(shí)現(xiàn)線性偏振發(fā)射。
三氧化鉬的面內(nèi)雙曲性為小尺寸光學(xué)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)元件提供了機(jī)會(huì)。特別是，利用該材料（或硫化鋇鈦）的大平面內(nèi)雙折射，紅外波片可以由厚度為幾十微米的薄板構(gòu)成。這種波片可以在長(zhǎng)波紅外波段工作，對(duì)于該波段，市售波片非廣泛可得，且其厚度也超過(guò)了1mm。
此外，利用該材料的平面內(nèi)雙曲性，偏振元件可以由簡(jiǎn)單的1μm厚度的薄膜制成，偏振片可以有選擇地讓某個(gè)方向振動(dòng)的入射光通過(guò)。傳統(tǒng)偏振片需要更厚，通常還需在其表面形成大量的金屬線柵。因此，三氧化鉬的顯著特性可以大大降低光學(xué)元件的尺寸和成本，并且在薄而緊湊型紅外器件中具有普適性。
除了傳統(tǒng)光學(xué)元件，三氧化鉬的這種特性還可能推動(dòng)納米光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展，該領(lǐng)域的重點(diǎn)是將光限制在納米級(jí)尺寸。該材料可在長(zhǎng)波紅外波段觀察到雙曲性，而納米級(jí)的光限制必然意味著突破衍射極限，通常情況下光不能被集中到比其波長(zhǎng)小得多的尺寸。三氧化鉬可以突破這一限制，因此為生產(chǎn)改進(jìn)型紅外發(fā)射器件提供了機(jī)會(huì)。
例如，由支持極化激元的材料制成的加熱納米級(jí)光子結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生一種或多種特定頻率的光，而非普通燈泡發(fā)出的寬頻率范圍的光。這種結(jié)構(gòu)提供了類似發(fā)光二極管的光源，這種光源可設(shè)計(jì)成在存在紅外線的任何地方工作。另外，這些光子結(jié)構(gòu)發(fā)射的光通常是非偏振的。只有利用具有面內(nèi)雙曲性的材料，才能產(chǎn)生單一的純偏振光。
最后，諸如三氧化鉬等雙曲性材料還可作為超透鏡的基礎(chǔ)材料，超透鏡可對(duì)比成像光波長(zhǎng)小的物體產(chǎn)生放大圖像。這類材料也可用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)（將不同材料層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)），以制造具有可控特性的納米光子學(xué)元件。
Ma和同事的研究工作再次證明：大自然給予我們的東西遠(yuǎn)比我們想象的要多。納米光子學(xué)的未來(lái)曾一度被認(rèn)為是需要通過(guò)人工材料實(shí)現(xiàn)的，但這項(xiàng)研究和過(guò)去幾年的其他研究都表明：在許多情況下，尋找先進(jìn)材料的最佳途徑是在大量自然材料中尋找。這些研究的成果為紅外光學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，或能使紅外成像及探測(cè)像可見(jiàn)光成像那樣普及，讓現(xiàn)場(chǎng)急救人員“透視”煙霧、即時(shí)醫(yī)學(xué)診斷以及增強(qiáng)化學(xué)光譜學(xué)等愿景成為可能。
