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高端玩家！初中課本知識，連發兩篇Science！

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折射作為一種常見的效應，其代表著光束在從一種介質傳播到另一種介質時會改變方向的現象。負折射是一種非直觀但公認的效應，其中光束在“錯誤”方向上彎曲。
在本期的Science中，來自中國國家納米科學中心的團隊，以及美國哥倫比亞大學的團隊獨立地證明了二維范德華材料界面處的負折射現象。國家納米科學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）極化子的面內負折射發生在界面處，并且是柵可調的。
美國哥倫比亞大學A. J.?Sternbach教授等人使用MoO3/h11BN雙晶來表明中紅外極化子的負折射發生在界面垂直傳播時。中紅外中的極化負折射為光學和熱應用提供了機會，例如紅外超分辨率成像、納米級熱操縱和具有增強靈敏度的化學傳感器件。
一、國家納米科學中心戴慶團隊Science
負折射在光學、納米電子學、聲學和磁性中被廣泛研究，作為一種違反直覺的物理現象，在亞波長成像和隱身等方面具有強大的應用潛力。
在過去的二十年中，該領域取得了實質性進展，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，在這些結構中調用的超材料限制了它們強烈限制光的能力。
作為替代方案，金屬等離激元在紫外線，可見光和近紅外區域也表現出負折射，但這種方法受到可見光和較高頻率下的歐姆損耗，以及紅外范圍內空間限制差的限制。因此，盡管具有采樣和控制分子振動和熱輻射的潛力，但中紅外和太赫茲域的深亞波長負折射仍然是一個挑戰。
隨著范德華（vdW）材料的出現，其能夠通過利用其極化子模式的強光學限制，在寬光譜范圍內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極化子來實現深亞波長中紅外負折射，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）異質結構。然而，這些結構中極化子的極端空間限制阻礙了其分散的定制，這種結構固有的反射和散射損耗也使理論概念的實現更加復雜化。
國家納米科學中心戴慶研究員和胡海副研究員，西班牙巴塞羅那科學技術學院F.?Javier?García?de?Abajo教授等人證明了在范德華異質結構中使用混合拓撲極化子在中紅外頻率下的門可調諧負折射。
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折射極化激子，并進行了可逆的平面納米尺度聚焦。同時，本文的原子厚異質結構削弱了界面處的散射損耗，同時通過電門控實現了正常折射到負折射的主動可調轉換。
此外，這項工作提出極化負折射作為紅外應用的有前途的平臺，如電可調超分辨率成像、納米級熱操縱、增強分子傳感和片上光學電路。
相關論文以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”為題發表在Science。
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圖1.?二維極化的負折射
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圖2.?直接觀測納米級負折射
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圖3. 可調諧負折射
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A. J.?Sternbach團隊Science
折射作為光學中的一種基本現象，其中光線在穿過兩種介質之間的界面后改變方向 。如果折射光束與入射光束出現在界面法線的同一側，則折射被認為是“負”的。
這種罕見的情況在人造超材料和超晶格中得到了證實，它們的介電常數ε和磁導率μ同時為負。負折射會改變光放大和發射以及非線性光學，還可能導致捕獲光以及“完美”透鏡，具有主軸旋轉錯位的各向異性元結構之間的界面也可以實現負折射。極端各向異性由雙曲材料（HMs）提供，其混合光物質模式-極化子-預計在精心設計的界面處表現出全角度負折射。
在這項工作中，美國哥倫比亞大學A. J.?Sternbach教授等人研究了以前未探索的一類由兩個薄晶體組成的雙曲異質雙晶中的極化子，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據顯示了MoO3/h11BN異雙晶體中極化子射線的定位、負折射和閉環循環，觀測到的效應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，異質雙晶體的這些屬性與使用HMs的光子應用廣泛相關。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，這可以通過負折射實現完美的透鏡化。然而，可達到的焦點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射器。
更加重要的一點是，與Fabry-Pérot腔類似，負折射可以導致輻射在異雙晶納米腔中以封閉循環傳播，并且介電損失仍然是一個挑戰，但可能通過主動損失補償來緩解。
相關論文以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”為題發表在Science。
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圖1. 雙曲異質雙晶中的極化子
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圖2.?極化子的負折射
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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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