负折射现象，近场光学显微镜，发文Science！

发布日期：2023-12-21

负折射（Negative refraction）指的是光束在界面处的折射方向与正常折射方向（正常的折射光线与入射光线在法线异侧）相反，即折射光线和入射光线位于法线同侧的电动力学现象。自然界中至今未发现天然存在的负折射材料，目前报告的所有负折射材料都是由实验室人工制备的。通常，具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到负折射率这一现象，这种材料也被称作负折射率材料。

美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach教授（通讯作者）研发了一种由氧化钼（MoO₃）和同位素纯的六方氮化硼（h¹¹BN）组成的双曲异质双晶体，并利用10 nm超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM探究了其中的负折射现象。研究表明，当材料中极化子所形成的准直射线通过两种双曲范德华材料（h¹¹BN-MoO₃）平面界面时，其表现出的折射率为负。在一个特殊频率ω₀下，这些光线甚至可以沿着封闭的菱形轨迹循环。研究成果以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”为题发表在Science上。

在本文中，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM为研究者提供了充足的空间分辨率，该分辨率满足了纳米尺度下对极化子射线的有效表征；设备所使用的超窄带中红外脉冲激光器（谱宽小于4 cm^-1）为准确探知重叠剩余射线频带内的准单色激发频率提供了先决条件。

超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM

下图中，作者在h¹¹BN-MoO₃-Au堆积样品中的x-y平面上，通过10 nm超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM获得的不同表面的振幅近场成像图。其中（A）为h¹¹BN-MoO₃-Au上表面的振幅成像信息，（B）为MoO₃-Au表面的振幅成像信息。图中的金色长方形块体代表用于激发极化子的金条所置放的位置。可以看到，在双晶体构成的样品A中，极化子射线从金射出后，在经过h¹¹BN-MoO₃界面时产生了负折射的现象。正如前文所述，这种现象能被直接观察到的两个要点为：（1）近场光学显微镜-neaSNOM 20 nm级空间分辨率：样品A中，hBN的厚度为98 nm， MoO₃的厚度为290 nm。二者界面处发生的光学现象所产生的近场信号需要更好的纳米级空间分辨率的探知才能观察到；（2）超窄带中红外脉冲激光器：极化子射线可以由不同波段的中红外激光激发。根据所用的激发光源的波数不同，产生的极化子射线的负折射率也不相同。而只有本次实验所采用的787 cm^-1下（所谓特殊频率ω₀），才能观察到激发出的射线沿着封闭的菱形轨迹循环。

具有负折射性质的材料会改变发射、非线性光学，而且还可能捕获光以及产生“完美”透镜效应。相关材料有着非常广阔的应用前景和研究价值。而对负折射性质的观察方面，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM无疑提供了一种准确且可靠的有力工具。

参考文献：

[1]. “Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”（Science，2023，10.1126/science.adf1065）