據麥姆斯谘詢報道，科研人員發現了一種天（tiān）然雙曲材料，該材料具有被稱為麵內（nèi）雙曲性（in-plane hyperbolicity）的極端光學性質。該發現有可能將紅外光學元件變得更為小巧。

雙曲材料對沿某一軸的光（guāng）具有高反射，並沿垂直軸（zhóu）進行光反射。通常情況下，其中某個（gè）軸（zhóu）在材料平麵內，另一個軸在該平（píng）麵之外。而兩軸都在（zài）同一（yī）平麵內的材料就能夠被用來製造如（rú）超薄（báo）波片（ultrathin waveplate）等可改變入射光（guāng）偏振的光學（xué）元件。此外，這種材料的反射特性允許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（jiāng）該研究發表在《自然》雜誌上，論文題目為“In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal”，詳（xiáng）細闡述了天然（rán）材料三氧（yǎng）化鉬（molybdenum trioxide，MoO3）存在的這種麵內雙曲性。

許多晶體都表現出雙（shuāng）折射，在這（zhè）種情況下，其折射率（測量材（cái）料中光速的指標）沿不同軸而有所區別。此性質可用於控製（zhì）入射光的偏振。在實際應用中，實（shí）現充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，電磁波譜的中遠紅外區（qū）域（波長範圍3μm - 300μm），通常（cháng）要求晶體厚度需達到（dào）幾毫米。為滿足這一（yī）要求，可能的解（jiě）決方案是考慮具有（yǒu）雙曲性的材料，這是一種雙（shuāng）折射的極端形式。

雙曲性最初被認（rèn）為隻存在於包含集成反射和透（tòu）明域的人造材（cái）料中。但2014年研究人員在天然（rán）材料六方氮化硼（hexagonal boron nitride）中觀（guān）察到了這種特性。該材料和三氧化鉬的反射（shè）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）方式振蕩的光學聲子（optical phonon）。這些聲子的壽命相對較長（壽命時長超過1皮秒），這強烈抑（yì）製了材料對光的吸收。自從（cóng）在六方氮（dàn）化硼中發現雙曲性以來，研究者已鑒定出多種天然雙曲材料。

今年早些時候有研究（jiū）報道了三氧化鉬（mù）的初（chū）步研究情況，結果表明對長波紅（hóng）外光（波長（zhǎng）為8μm~14μm）存在（zài）雙曲性。Ma和同事目前已（yǐ）證明並表征了相同光（guāng）譜範圍內的（de）麵內雙曲性。他們（men）利用這（zhè）種特性，通過形成稱（chēng）為雙曲聲子極化激元（hyperbolic phonon polariton）的混合光與物質激發，將光限製在比其波長小（xiǎo）得多的尺寸上。研究表明（míng），這種（zhǒng）極化（huà）激元（yuán）的壽命長達20皮（pí）秒，是六方氮化硼（péng）最（zuì）長壽命的10倍。

由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邊緣的三個晶體（tǐ）軸的長度均不同。因此，與這些軸相關的聲子能量和相應折射率均存在很大差異，導致約0.31的雙折射。值得（dé）注意的是，今年早些時候有研究顯示（shì），用於中波紅外到長波紅外的天然材料硫化鋇鈦（Barium titanium sulfide）存在0.76的同（tóng）樣大平麵內雙折射。然而，這種（zhǒng）材料並未觀察到雙曲性（xìng）。

控製紅外偏振。Ma等人的研究（jiū）表明（míng），三氧化（huà）鉬等材料可用於精確控製紅外光偏振。圖a中的光（guāng）學元件被稱為波片，可將線性偏振（zhèn）光轉換（huàn）為圓偏振光。在紅外波段，傳（chuán）統材料製成的（de）波（bō）片厚度通常超過1mm。該材料可利用三氧化鉬（mù）薄板來代替，厚度僅為幾十微米。中的元件被稱為偏（piān）振片，可將非偏振光（偏振指向所有方向）轉換（huàn）成線性偏振光。在紅外波段，用傳統材料製（zhì）成的偏振片通常需（xū）要很厚，並使用大量金屬線柵。這種（zhǒng）結構可以用基本不（bú）需（xū）要製造的三氧化鉬薄膜代替。為（wéi）由傳統材料製成的納（nà）米級（jí）光子結（jié）構（gòu），可發射非偏振紅外光。但如（rú）果使用三氧化鉬，就（jiù）可實現（xiàn）線性偏振發射。

三氧化鉬的麵內雙曲性為小尺寸光學（xué）元（yuán）件代替傳統光學元（yuán）件提供了機（jī）會。特別是，利用該材料（或硫化鋇鈦）的大平（píng）麵內雙折射，紅（hóng）外波片可以由厚度為幾十微米的薄板構成。這種波片可以在長波紅外波段工（gōng）作（zuò），對於該波段，市售波片非（fēi）廣泛可得，且其厚度（dù）也超（chāo）過了1mm。

此外，利（lì）用該材料的平麵內雙曲性，偏振元件可以由（yóu）簡單（dān）的1μm厚度的薄膜製成，偏（piān）振片可以有選擇地讓某個方向振（zhèn）動的入射光通過。傳統偏振片需要更厚，通常還需在其表麵形成大量的金屬線柵（shān）。因此，三氧化鉬的顯著特性可以大大降低光學元件的尺寸和成本，並且在薄（báo）而緊湊型紅外器件中具有普適（shì）性。

除了傳統光學元件（jiàn），三（sān）氧化鉬的這種特（tè）性還可（kě）能（néng）推動納（nà）米光子學領域的進展，該（gāi）領域的重點是將光限製在納米級（jí）尺（chǐ）寸。該材料可在長波紅外波段觀察到雙曲性，而納米級的光限製必然意味著突破衍射極限，通常情況下光不能被（bèi）集中到比其波長小得多的尺寸。三氧（yǎng）化鉬可以突破這一（yī）限製，因此為生產改進型紅外（wài）發射器件（jiàn）提供了機會。

例如，由支（zhī）持極化（huà）激元的（de）材料製成的加熱納米級光子結構，可產生一種或（huò）多種特定（dìng）頻率的光，而（ér）非普通燈泡發出的（de）寬頻率範圍的光。這種結（jié）構提供了類似發（fā）光二極管的光源，這種光源可設計成在存在紅外（wài）線的任（rèn）何地方工作。另外，這些（xiē）光子（zǐ）結構發射的光通常是非偏振的。隻有（yǒu）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性材料還可作為超透鏡的基礎（chǔ）材料，超透鏡可對比（bǐ）成像光波長小的物體產生放大圖像。這類材料也可用於異質結構（將不同材料層相結（jié）合的結構），以製造（zào）具有（yǒu）可控特性的納米光子學元件。

Ma和（hé）同（tóng）事（shì）的研究工作再次（cì）證明：大自然給予我們的東西（xī）遠比我們想象的要多（duō）。納米光子學的（de）未來曾一度被認（rèn）為是需要通過人工材料實（shí）現的，但這項研究和過去幾年的（de）其他研（yán）究都表明：在許（xǔ）多情況下，尋找先進材（cái）料的最佳途徑是在大量自然材料中尋找。這些（xiē）研究（jiū）的成果為（wéi）紅外光學和納米（mǐ）光子學領域貢獻了實質性進展，或能使紅外成像及探（tàn）測像可見光成像那樣普及，讓現場急救人員“透視”煙（yān）霧、即時醫學診斷以及增強化學光譜學等願景成為（wéi）可能。