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第一作者：Weiliang Ma、PabloAlonso-González、Shaojuan Li

通訊作者：Pablo Alonso-González、Rainer Hillenbrand、Qiaoliang Bao

第一單位：蘇州大學

研究亮點：

1. 發現天然范德華晶體MoO₃具有面內雙曲性。

2. 利用面內雙曲性實現光的限域，助力光學器件的微型化。

自然界中許多晶體材料都表現出雙折射行為，在不同的方向，折射率不盡相同。利用這一現象，可以實現對入射光的操縱。由于晶體尺寸和入射光波長以及雙折射強度成比例關系，3-300 μm區域的中遠紅外光往往需要幾個厘米厚的晶體才能實現，這無疑限制了光學器件的微型化趨勢。

如何解決這一問題呢？雙折射材料中有一種極端形式：雙曲性材料。常規材料光折射軸一個在面內，一個在面外；而雙曲性材料折射光的兩個垂直軸在同一面內。這一特性使得光學元件尺寸可以變得超薄，而且可以使光限域在不足百分之一波長的極小范圍內。

有鑒于此，蘇州大學鮑橋梁團隊與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso-González、西班牙巴斯克科學基金會RainerHillenbrand團隊合作，在天然范德華晶體α-MoO₃中發現并操縱了面內各向異性的紅外極化現象。

圖1. 操縱紅外極化

雙曲性光學材料溯源

長期以來，人們都以為雙曲性只存在于人工晶體材料中。直到2014年，科學家在六方氮化硼天然材料中發現了雙曲性。研究表明，這是由于晶格以高度各向異性的方式共振所導致，這些光子具有更長的壽命，抑制了材料對光的吸收。

自從氮化硼以來，一大批天然雙曲性材料相繼被開發，包括MoO₃。

本文特色

本文研究團隊發現MoO₃在8-14 μm波長區間具有面內各向異性雙曲性，并利用該性能將光限域在比其波長更小的區間，形成光-物質激發的雙曲性光子。這種光子最高壽命可達到20 ps，是六方氮化硼所報道最高值的10倍。

總之，這項研究再一次證明，自然界比我們想象的要更加強大。納米光學的未來不僅僅是人工高性能材料，天然材料或許將發揮更多作用！

圖2. α-MoO₃物理性質

圖3. α-MoO₃實空間成像和納米光譜

圖4. α-MoO₃光學性能

圖5. α-MoO₃厚度與光學性能調控

作者簡介：

鮑橋梁，2000年畢業于武漢理工大學并獲得材料學學士學位，2007年獲得武漢大學工學博士學位，博士專業方向是材料物理與化學。2007年博士畢業后先后在南洋理工大學和新加坡國立大學從事博士后研究。2012年加盟蘇州大學功能納米與軟物質研究院,2013年獲江蘇省“雙創人才計劃”資助和蘇州市高等院校、科研院所“緊缺高層次人才”引進資助。

參考文獻：

Weiliang Ma, Pablo Alonso-González, ShaojuanLi, Rainer Hillenbrand, Qiaoliang Bao et al.In-plane anisotropic andultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature 2018.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0618-9