據麥姆斯（sī）谘詢報（bào）道，科（kē）研人員發現（xiàn）了一種天然雙曲材料，該材料具有被稱為麵內雙曲性（in-plane hyperbolicity）的極端光（guāng）學性質。該發現有可能將紅（hóng）外光學元件變得更為小巧。

雙曲材料對沿某一軸的光具（jù）有高反射，並沿垂直軸進（jìn）行光反射。通常情況下，其中某個軸在材料（liào）平麵內，另一個軸在該平麵之外。而兩軸都在同一平麵內的材（cái）料就能夠被用來製（zhì）造（zào）如超薄波片（piàn）（ultrathin waveplate）等可改變入射光偏振的光學元件。此外，這種材料的反射（shè）特性允許（xǔ）光在極小尺寸範圍內（小於光波波長（zhǎng）的百分之一）被操縱和限製。Ma等人將該（gāi）研究發表在《自（zì）然》雜誌上，論文題（tí）目為“In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal”，詳細闡述了天然材料（liào）三氧化鉬（molybdenum trioxide，MoO3）存在的這種麵內（nèi）雙曲性。

許（xǔ）多晶體都表現出雙折射，在這種情況下，其（qí）折射率（測量材料（liào）中光速的（de）指標）沿不（bú）同軸而有所區別。此性質可用於（yú）控製入射光的偏振。在實際應用中，實現充（chōng）分偏振控製所需的晶體尺寸與入射光波長和雙折射強度成正比。因此（cǐ），電（diàn）磁波譜的中遠紅外（wài）區域（波長範（fàn）圍3μm - 300μm），通常要求晶體厚度需達到幾（jǐ）毫（háo）米。為滿足這一要求（qiú），可能的解決方案是考慮（lǜ）具有雙曲性的材料，這是一種雙折射的極端形式。

雙曲性最初被認為隻存在於包含集成反射和透明域的人造材（cái）料中（zhōng）。但2014年研究人員在天然材料六方氮化硼（hexagonal boron nitride）中觀察到了這種特性（xìng）。該材料和三氧化（huà）鉬的反射行為均來自於晶格振動（crystal-lattice vibration），即以高度各向異性（取決於方向）方式（shì）振蕩（dàng）的（de）光學聲子（zǐ）（optical phonon）。這些聲子的壽（shòu）命相對較長（壽命時長（zhǎng）超（chāo）過1皮秒），這強烈抑製了材料對光的吸收。自從在六方（fāng）氮化硼中發現雙曲性以來，研究（jiū）者已鑒定出多種天然雙曲材料。

今年早些時候（hòu）有研究報道了三氧化鉬的（de）初步研究情況，結果表明對長波紅外光（波長為8μm~14μm）存在雙曲性（xìng）。Ma和同事目（mù）前已證明並表征了相同光譜範圍內的麵內雙曲性。他們利用這種特性（xìng），通過形成稱為雙曲聲（shēng）子（zǐ）極化激（jī）元（hyperbolic phonon polariton）的混合光與物質激（jī）發，將光限製在比其（qí）波長小得多的尺寸上（shàng）。研究表明，這種極化激元的壽命長達20皮秒，是六方氮（dàn）化硼最長壽命的10倍。

由（yóu）於三氧化鉬的晶體結構具有高度各向異性，因此定義晶體單位晶胞（bāo）邊緣的三個晶體軸的長度均不同。因此，與這些軸相關（guān）的聲子能量（liàng）和相應（yīng）折射率均（jun1）存在很大差異，導致（zhì）約0.31的雙折射（shè）。值得注意的是，今年（nián）早些時候有研究顯示，用於中波紅外到長（zhǎng）波紅（hóng）外的天然材料硫化鋇鈦（Barium titanium sulfide）存在0.76的（de）同樣大平麵（miàn）內雙折（shé）射。然而，這種材料並未觀（guān）察到雙曲性。

控製紅外偏振。Ma等人的研究表明，三氧化鉬等材料可用於精確（què）控製紅外光偏振（zhèn）。圖a中的光學元件被稱為波片，可將線性偏振光轉換為圓偏（piān）振光。在紅外波段，傳統材料製成的波（bō）片厚度通常超過（guò）1mm。該材料可利（lì）用（yòng）三氧化鉬薄板來代替，厚（hòu）度僅為幾十微（wēi）米。中的元件被稱為偏振片，可將非偏振光（偏振指（zhǐ）向所有（yǒu）方向）轉換成線性偏振光。在紅外（wài）波段，用傳統材料製成的偏振片（piàn）通（tōng）常（cháng）需要很厚（hòu），並使用大量金屬線柵。這種結構可以用基本不需要製造的三氧化鉬薄（báo）膜代（dài）替。為（wéi）由傳統材料製成的納米級（jí）光子結構（gòu），可發射非偏振（zhèn）紅外光。但如果使用三氧化（huà）鉬，就可實現線（xiàn）性偏振發射。

三氧化鉬的麵內雙曲性為小尺寸光學元件代替傳統光學元件提供了機會（huì）。特（tè）別是，利用該材料（或硫（liú）化鋇鈦）的大平麵內雙折射，紅外波片可以由厚度為幾十微米的薄板構成。這種波（bō）片可以在長波紅外波（bō）段（duàn）工作，對於（yú）該波（bō）段（duàn），市售波片非（fēi）廣泛可得，且其厚度也超過了1mm。

此（cǐ）外，利用該材料的平麵內雙曲性，偏振元件可以由簡單的1μm厚度的薄膜製成（chéng），偏振片可以有選擇地讓（ràng）某個方向振動（dòng）的入射光通過。傳統偏振片需（xū）要更（gèng）厚，通常還需在其表（biǎo）麵形成大量的金屬線柵。因此，三氧（yǎng）化鉬的顯著特性可以大大降低（dī）光學元件的尺寸和成本，並（bìng）且在薄而緊湊型紅外器件中具有普適性。

除了傳統光（guāng）學元件，三氧化鉬的這種特性還可能推動納米（mǐ）光（guāng）子學領（lǐng）域（yù）的進展，該領域的重點是將光限製在納米級尺寸。該材（cái）料可在長（zhǎng）波（bō）紅外波（bō）段觀（guān）察到（dào）雙（shuāng）曲性，而納米（mǐ）級（jí）的光限製（zhì）必然意味著突破衍射（shè）極限，通常情況（kuàng）下光不能被集中到比其波長小得多的尺寸。三氧化鉬可以突破這一限製，因此為生產改進型紅外發射器件提供了機會。

例（lì）如，由（yóu）支持極化激元的材料（liào）製（zhì）成的加熱納米級光子結構，可產生一種或多種特定頻率的光，而非普通燈泡發出的寬頻率範圍的（de）光。這種結構提（tí）供了類似發光二極管的光源（yuán），這種光源可設計成在存在紅外線的任何地方工作。另外，這些光（guāng）子結（jié）構發射的光通常是非偏振（zhèn）的。隻（zhī）有利用（yòng）具有麵內雙曲性的材料，才能產生單一的純偏振光。

最後，諸如三氧化鉬等雙曲（qǔ）性材料還可作為超透鏡的基礎材料，超透鏡可對比成像光波長小的物體產生放大圖像。這類材料（liào）也可用於（yú）異質結構（將不同材料層相結合的結構），以製造具有可控特性的納米光（guāng）子學元件（jiàn）。

Ma和同事（shì）的研（yán）究工作再次證明（míng）：大（dà）自然給予我們的東西遠比我們想象的要多。納米光（guāng）子學（xué）的未來曾一度被認為是需要（yào）通過（guò）人工材料實現的，但這項研究和過去幾年的其（qí）他研究都表明：在許多情況下，尋（xún）找先（xiān）進材料的最佳途徑是在大量自然材料中尋找。這些研究的成果為紅外光（guāng）學和納米光子學領（lǐng）域貢獻（xiàn）了實質性進展，或能（néng）使紅外成像（xiàng）及探測像可見光成像那樣普及，讓現場急救人員“透視”煙霧、即時醫學診斷以及增強化學光譜學等願景成為可能（néng）。