天然双曲材料有望颠覆现有红外光学元件
据麦姆斯咨询报导，科研人员找到了一种天然双曲材料，该材料具备被称作面内双曲性（in-planehyperbolicity）的极端光学性质。该找到有可能将红外光学元件显得更加小巧。双曲材料对沿某一轴的光具备低光线，并沿垂直轴展开光反射。一般来说情况下，其中某个轴在材料平面内，另一个轴在该平面之外。 而两轴都在同一平面内的材料就需要被用来生产如超薄波片（ultrathinwaveplate）等可转变入射光偏振的光学元件。
据麦姆斯咨询报导，科研人员找到了一种天然双曲材料，该材料具备被称作面内双曲性（in-planehyperbolicity）的极端光学性质。该找到有可能将红外光学元件显得更加小巧。双曲材料对沿某一轴的光具备低光线，并沿垂直轴展开光反射。一般来说情况下，其中某个轴在材料平面内，另一个轴在该平面之外。
而两轴都在同一平面内的材料就需要被用来生产如超薄波片（ultrathinwaveplate）等可转变入射光偏振的光学元件。此外，这种材料的光线特性容许光在大于尺寸范围内（大于光波波长的百分之一）被操控和容许。Ma等人将该研究公开发表在《大自然》杂志上，论文题目为“In-planeanisotropicandultra-low-losspolaritonsinanaturalvanderWaalscrystal”，详尽阐释了天然材料三氧化钼（molybdenumtrioxide，MoO3）不存在的这种面内双曲性。
许多晶体都展现出出有双折射，在这种情况下，其折射率（测量材料中光速的指标）沿有所不同轴而有所区别。此性质可用作掌控入射光的偏振。在实际应用于中，构建充份偏振掌控所需的晶体尺寸与入射光波长和双折射强度成正比。
因此，电磁波序的中远红外区域（波长范围3μm-300μm），一般来说拒绝晶体厚度须要超过几毫米。为符合这一拒绝，有可能的解决方案是考虑到具备双曲性的材料，这是一种双折射的极端形式。双曲性最初被指出只不存在于包括构建光线和半透明域的人造材料中。但2014年研究人员在天然材料六方氮化硼（hexagonalboronnitride）中仔细观察到了这种特性。
该材料和三氧化钼的光线不道德皆来自于晶格振动（crystal-latticevibration），即以高度各向异性（各不相同方向）方式波动的光学声子（opticalphonon）。这些声子的寿命比较较长（寿命时长多达1皮秒），这反感诱导了材料对光的吸取。自从在六方氮化硼中找到双曲性以来，研究者已检验出有多种天然双曲材料。今年早些时候有研究报导了三氧化钼的可行性研究情况，结果表明对长波红外光（波长为8μm~14μm）不存在双曲性。
Ma和同事目前已证明并密切相关了完全相同光谱范围内的面内双曲性。他们利用这种特性，通过构成称作双曲声子极化激元（hyperbolicphononpolariton）的混合光与物质唤起，将光容许在比其波长大得多的尺寸上。研究指出，这种极化激元的寿命长约20皮秒，是六方氮化硼最久寿命的10倍。
由于三氧化钼的晶体结构具备高度各向异性，因此定义晶体单位晶胞边缘的三个晶体轴的长度皆有所不同。因此，与这些轴涉及的声子能量和适当折射率皆不存在相当大差异，造成大约0.31的双折射。值得注意的是，今年早些时候有研究表明，用作中波红外到长波红外的天然材料硫化钡钛（Bariumtitaniumsulfide）不存在0.76的某种程度大平面内双折射。然而，这种材料未仔细观察到双曲性。
图1掌控红外偏振。Ma等人的研究指出，三氧化钼等材料可用作准确掌控红外光偏振。图a中的光学元件被称作波片，可将线性偏振光切换为圆偏振光。
在红外波段，传统材料做成的波片厚度一般来说多达1mm。该材料可利用三氧化钼薄板来替换，厚度仅有为几十微米。
图b中的元件被称作偏振片，可将非偏振光（偏振指向所有方向）转换成线性偏振光。在红外波段，用传统材料做成的偏振片一般来说必须很薄，并用于大量金属线栅。
这种结构可以用基本不必须生产的三氧化钼薄膜替换。图c为由传统材料做成的纳米级光子结构，可升空非偏振红外光。但如果用于三氧化钼，就可实现线性偏振升空。三氧化钼的面内双曲性为小尺寸光学元件替换传统光学元件获取了机会。
尤其是，利用该材料（或硫化钡钛）的大平面内双折射，红外波片可以由厚度为几十微米的薄板包含（图1a）。这种波片可以在长波红外波段工作，对于该波段，市售波片非普遍可得，且其厚度也多达了1mm。此外，利用该材料的平面内双曲性，偏振元件可以由非常简单的1μm厚度的薄膜做成（图1b），偏振片可以有选择地让某个方向振动的入射光通过。传统偏振片必须更加薄，一般来说还须要在其表面构成大量的金属线栅。
因此，三氧化钼的明显特性可以大大降低光学元件的尺寸和成本，并且在厚而紧凑型红外器件中具备普适性。除了传统光学元件，三氧化钼的这种特性还有可能推展纳米光子学领域的进展，该领域的重点是将光容许在纳米级尺寸。该材料可在长波红外波段仔细观察到双曲性，而纳米级的光容许必定意味著突破散射无限大，一般来说情况下光无法被集中于到比其波长大得多的尺寸。三氧化钼可以突破这一容许，因此为生产改进型红外发射器件获取了机会。
例如，由反对极化激元的材料做成的冷却纳米级光子结构，可产生一种或多种特定频率的光，而非普通灯泡收到的长频率范围的光。这种结构获取了类似于发光二极管的光源，这种光源可设计出在不存在红外线的任何地方工作。另外，这些光子结构升空的光一般来说所谓偏振的（图1c）。
只有利用具备面内双曲性的材料，才能产生单一的纯偏振光。最后，诸如三氧化钼等双曲性材料还可作为超强透镜的基础材料，超强透镜可对比光学光波长小的物体产生缩放图像。这类材料也可用作异质结构（将有所不同材料层结合的结构），以生产具备高效率特性的纳米光子学元件。
Ma和同事的研究工作再度证明：大大自然给与我们的东西远比我们想象的要多。纳米光子学的未来一度被指出是必须通过人工材料构建的，但这项研究和过去几年的其他研究都指出：在许多情况下，找寻先进设备材料的最佳途径是在大量大自然材料中找寻。这些研究的成果为红外光习和纳米光子学领域贡献了实质性进展，或能使红外光学及观测像红外线光学那样普及，让现场救护人员“投影”烟雾、即时医学临床以及强化化学光谱学等愿景沦为有可能。
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