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折射作为一种常见的效应，其代表着光束在从一种介质传播到另一种介质时会改变方向的现象。负折射是一种非直观但公认的效应，其中光束在“错误”方向上弯曲。

在本期的Science中，来自中国国家纳米科学中心的团队，以及美国哥伦比亚大学的团队独立地证明了二维范德华材料界面处的负折射现象。国家纳米科学中心戴庆研究员和胡海副研究员等人使用带有石墨烯覆盖层的α-MoO₃来显示中红外（mid-IR）极化子的面内负折射发生在界面处，并且是栅可调的。

美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach教授等人使用MoO₃/h¹¹BN双晶来表明中红外极化子的负折射发生在界面垂直传播时。中红外中的极化负折射为光学和热应用提供了机会，例如红外超分辨率成像、纳米级热操纵和具有增强灵敏度的化学传感器件。

一、国家纳米科学中心戴庆团队Science

负折射在光学、纳米电子学、声学和磁性中被广泛研究，作为一种违反直觉的物理现象，在亚波长成像和隐身等方面具有强大的应用潜力。

在过去的二十年中，该领域取得了实质性进展，通常使用金属超材料，介电光子晶体和双曲超材料，由亚波长晶胞的周期性阵列组成，在这些结构中调用的超材料限制了它们强烈限制光的能力。

作为替代方案，金属等离激元在紫外线，可见光和近红外区域也表现出负折射，但这种方法受到可见光和较高频率下的欧姆损耗，以及红外范围内空间限制差的限制。因此，尽管具有采样和控制分子振动和热辐射的潜力，但中红外和太赫兹域的深亚波长负折射仍然是一个挑战。

随着范德华（vdW）材料的出现，其能够通过利用其极化子模式的强光学限制，在宽光谱范围内控制纳米尺度的光引入了新的自由度。

最近的理论研究提出了使用vdW极化子来实现深亚波长中红外负折射，例如，在石墨烯的周期阵列中，或使用平面石墨烯和六方氮化硼（h-BN）异质结构。然而，这些结构中极化子的极端空间限制阻碍了其分散的定制，这种结构固有的反射和散射损耗也使理论概念的实现更加复杂化。

国家纳米科学中心戴庆研究员和胡海副研究员，西班牙巴塞罗那科学技术学院F. Javier García de Abajo教授等人证明了在范德华异质结构中使用混合拓扑极化子在中红外频率下的门可调谐负折射。

具体来说，作者在部分修饰有石墨烯的α-MoO₃薄膜中可视化了广角负折射极化激子，并进行了可逆的平面纳米尺度聚焦。同时，本文的原子厚异质结构削弱了界面处的散射损耗，同时通过电门控实现了正常折射到负折射的主动可调转换。

此外，这项工作提出极化负折射作为红外应用的有前途的平台，如电可调超分辨率成像、纳米级热操纵、增强分子传感和片上光学电路。

相关论文以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”为题发表在Science。

图1. 二维极化的负折射

图2. 直接观测纳米级负折射

图3. 可调谐负折射

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、美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach团队Science

折射作为光学中的一种基本现象，其中光线在穿过两种介质之间的界面后改变方向。如果折射光束与入射光束出现在界面法线的同一侧，则折射被认为是“负”的。

这种罕见的情况在人造超材料和超晶格中得到了证实，它们的介电常数ε和磁导率μ同时为负。负折射会改变光放大和发射以及非线性光学，还可能导致捕获光以及“完美”透镜，具有主轴旋转错位的各向异性元结构之间的界面也可以实现负折射。极端各向异性由双曲材料（HMs）提供，其混合光物质模式-极化子-预计在精心设计的界面处表现出全角度负折射。

在这项工作中，美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach教授等人研究了以前未探索的一类由两个薄晶体组成的双曲异质双晶中的极化子，即氧化钼（MoO₃）和同位素纯六方氮化硼（h¹¹BN）。

本文的高光谱纳米成像数据显示了MoO₃/h¹¹BN异双晶体中极化子射线的定位、负折射和闭环循环，观测到的效应的核心是极化子色散中的间隙，从极化波的高光谱图像中提取了该间隙。

同时，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，异双晶体中的极化子可以聚焦于衍射有限的光斑尺寸，这可以通过负折射实现完美的透镜化。然而，可达到的焦点可能受到外部因素的限制，包括晶体损耗和不完美的极化发射器。

更加重要的一点是，与Fabry-Pérot腔类似，负折射可以导致辐射在异双晶纳米腔中以封闭循环传播，并且介电损失仍然是一个挑战，但可能通过主动损失补偿来缓解。

相关论文以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”为题发表在Science。

图1. 双曲异质双晶中的极化子

图2. 极化子的负折射

图3. 异双晶色散中的光谱间隙

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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