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

雙曲材料對沿某一軸的光具有高反射，並沿垂直軸進行光反射。通常（cháng）情況下（xià），其中某個軸（zhóu）在材料平麵內，另（lìng）一個軸在該平麵之（zhī）外。而兩軸都在同一（yī）平麵內的材料就（jiù）能夠被用來製造如超薄波片（ultrathin waveplate）等可改變入（rù）射光偏振（zhèn）的（de）光學元（yuán）件。此外，這種材料的反射特性允許光在極小尺寸範圍內（小於光波波長的百分之一）被（bèi）操縱和限製。Ma等（děng）人將該研究發表（biǎo）在《自然》雜誌上（shàng），論文題目為“In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal”，詳細闡述了天然材料三氧化鉬（molybdenum trioxide，MoO3）存在的這種麵內雙曲性。

許多晶體都表現出雙折（shé）射，在（zài）這種情況下，其折射（shè）率（lǜ）（測量材料中光速的指標（biāo））沿不同軸而有所（suǒ）區別（bié）。此性質可用於（yú）控製入射光的（de）偏振。在實際（jì）應用中，實現充分偏振控製所（suǒ）需的晶體（tǐ）尺寸與入射光波長（zhǎng）和（hé）雙折射強度成正比。因此，電磁波譜的中遠紅外區域（波長範圍3μm - 300μm），通（tōng）常要求晶體厚度需達到幾毫米。為滿足這一要（yào）求（qiú），可能的解決方（fāng）案是考慮具有雙曲性的材料，這是一種雙折射的極端形式。

雙曲性（xìng）最初被認為隻存（cún）在（zài）於（yú）包含集成反射和透明域的人造材料中。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。該材料和三氧化鉬的反射（shè）行為均來自於（yú）晶格振動（crystal-lattice vibration），即以高度各向異性（取決於方向）方式振蕩（dàng）的光（guāng）學聲子（optical phonon）。這些聲子的壽命相對較長（壽命時長超（chāo）過1皮秒），這強烈抑製了材料對光的吸收。自從在（zài）六方（fāng）氮化（huà）硼中發現（xiàn）雙曲性以來，研究者（zhě）已鑒定出多種天然（rán）雙曲材料。

今年早些時候有研究（jiū）報道了三氧化鉬的初步研究情況，結果表明對長波紅外光（波（bō）長為8μm~14μm）存在雙曲（qǔ）性。Ma和同事目前已證明並表征了相（xiàng）同光譜（pǔ）範圍（wéi）內的麵內雙曲性。他們利用這種特性，通過形成稱為雙（shuāng）曲（qǔ）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（bō）長小得多的尺寸上。研究表明，這種極化激元的壽命長（zhǎng）達20皮秒，是六方氮化硼最長壽命的10倍。

由於三氧化鉬的晶體結構具（jù）有高（gāo）度各向異性，因此定義晶體單位晶胞邊緣的三（sān）個晶體軸的長度均不（bú）同。因此，與這些軸相關的聲子能量和相應折射率均存（cún）在很大差異，導致約0.31的雙折射。值得注意的是，今年早些（xiē）時候有（yǒu）研究顯示，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的同樣大平麵內雙折（shé）射。然而，這種材料並未觀察到雙曲性。

控製紅外偏振。Ma等（děng）人的研究表明，三氧化鉬等材料可用於精（jīng）確控製紅外光偏振（zhèn）。圖a中的光（guāng）學元件被稱為（wéi）波片，可（kě）將線性偏振光轉換為圓（yuán）偏振光。在紅外波段，傳統材料製成的波片厚度通常超過1mm。該材料可利用三氧化（huà）鉬薄板來代替，厚度僅為幾十微米。中的元件（jiàn）被稱為偏振片，可將非偏振光（偏振指向所有方向）轉換成線性偏振光。在紅外波段，用傳統材料製成的偏振片通常需要很厚，並使用大量金屬線柵。這種結（jié）構可以用基本不需要製造的三氧化鉬薄膜代替。為由傳統材（cái）料製成的納米級光子結構（gòu），可發射非偏振紅外光。但如果使用三氧化鉬（mù），就可實現線性偏振發射。

三氧化鉬的麵內雙曲性為小尺寸光學元件代替傳統（tǒng）光學元件提供了機會。特（tè）別是，利用該（gāi）材料（或硫化鋇鈦）的大平麵內（nèi）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（bō）紅外（wài）波段工（gōng）作，對於該波段，市售波片非廣泛可得，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（zhèn）元件可以由簡單的1μm厚度的薄膜製成，偏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（tōng）常還需在其（qí）表麵（miàn）形成大（dà）量的金屬（shǔ）線柵。因此，三氧化鉬的顯著特性（xìng）可以大大降低光學元件的尺寸和成本（běn），並且在薄而緊湊型紅外器件（jiàn）中具有普適性。

除了傳統光學元件，三氧化鉬的這種特性還可能推動（dòng）納米光子學領域的進展，該領（lǐng）域的重點是將光限製在納米級尺寸。該材料可在長（zhǎng）波紅外波段觀察到雙曲性（xìng），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集中（zhōng）到比其（qí）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（tí）供了機會。

例如，由支持極化激元的材料製成的加熱納米級光子結構，可產生一種或（huò）多種特定頻率的光，而非普通燈泡發出的（de）寬頻率範圍的光。這種結（jié）構（gòu）提供了類似（sì）發光二極管的光源（yuán），這種光源可（kě）設計成在存在紅外線的任何地方（fāng）工作。另外，這些光子結（jié）構發射的光（guāng）通（tōng）常是非偏振的。隻有利用具有麵內雙曲性的（de）材料，才能（néng）產生（shēng）單一的純偏振光。

最後，諸如三氧化鉬等雙曲性材料還（hái）可作為超透鏡（jìng）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。這類材料也（yě）可用於（yú）異質結構（將不同材料層（céng）相結（jié）合的結構（gòu）），以製造具有可控特性的納米光子學元件。

Ma和同事的研究工作再次證明：大自然給予我們的東西遠比我們想象的要多。納米光子（zǐ）學（xué）的未來（lái）曾一度被認（rèn）為是需要通（tōng）過人工材（cái）料（liào）實現的，但這項研（yán）究和過去幾（jǐ）年（nián）的其他研究都表明：在許多情（qíng）況下，尋找先進材料的最佳途（tú）徑是在大（dà）量自然材料中尋（xún）找。這些研究的成果為紅外光學和納米光子學領域（yù）貢獻了實質性進（jìn）展，或能使紅外成像及探測像可見光成像那（nà）樣（yàng）普及，讓現場急救人員“透視”煙霧（wù）、即時醫學診（zhěn）斷以及增強化學（xué）光譜學等願景成為（wéi）可能。