厉害！石墨烯，再发《Science》！重磅成果！

研究背景

负折射（Negative refraction）是俄国科学家Veselago 在1968 年提出的，指当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处在于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来。这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，也被称为metamaterial。在这种材料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手”法则，而非常规材料中的“右手”法则。因此，这种具有负折射率的材料也被称为左手材料，光波在其中传播时，能流方向与波矢方向相反。

Figure 1. 左边折射率为正值，右边折射率为负值

大多数电磁现象都来源于电磁波和材料的相互作用。从某种意义上来说，电磁波的传播方向取决于材料的宏观几何结构和微观单元的排列方式。电磁波在任意两材料界面处都要经历折射现象，其折射角遵从Snell定律 ，其中n1和n2分别为两介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角，折射光和入射光位于法线的两侧。几何光学遵照折射定律来进行光学系统设计。如果假定n2<0，按照上面的公式，就得到θ2<0，这意味着折射光线与入射光线位于法线的同侧，这种异于常规的折射现象称作负折射。

负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。这种被称为负折射率材料(“左手材料”)的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势。负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。

负折射在光学、纳米电子学、声学和磁学中被广泛研究，作为一种反直觉的物理现象，具有很强的应用潜力，如亚波长成像和隐身。在过去的二十年中，这一领域取得了重大进展，通常使用金属超材料、介电光子晶体、以及双曲型超材料，由亚波长单元单元周期性阵列组成。在这些结构中使用的超材料限制了它们强烈限制光的能力。作为一种替代方法，金属等离子体元在紫外、可见光和近红外区域也表现出负折射。这种方法受到可见和更高频率的欧姆损失以及红外范围内较差的空间限制的限制。因此，中红外和太赫兹域的深亚波长负折射仍然是一个挑战，尽管它有取样和控制分子振动和热辐射的潜力。

范德华(vdW)材料的出现引入了一种新的自由度，可以在纳米尺度上控制光，使其在偏振子模式的宽谱范围内进行光透射、光透射、光透射、光透射、光透射、光透射和光透射限制。最近的理论研究提出了使用vdW极化元来实现深亚波长中红外负折射，例如，在石墨烯周期性阵列中，或使用平面石墨烯和六方氮化硼(h-BN)异质结构。然而，极化激元在这些结构中的极端空间限制阻碍了其色散的定制;这种结构固有的反射和散射损失也使理论概念的实现复杂化。

研究成果

负折射为分子传感和热发射应用提供了一个操纵中红外和太赫兹辐射的平台。然而，基于超材料和等离子体介质的实现面临着光学损耗、有限的空间限制以及在该光谱范围内缺乏主动可调性的挑战。国家纳米科学中心戴庆研究员、胡海副研究员课题组在范德华异质结构中使用混合拓扑极化激元演示了中红外频率的门可调谐负折射。具体来说，作者在部分用石墨烯装饰的α-MoO₃薄膜中观察到广角负折射极化激元，并进行可逆的平面纳米级聚焦。原子厚度异质结构削弱了界面上的散射损失，同时通过电门控实现正向折射到负折射的主动可调过渡。作者提出了极化负折射作为一个有前途的红外应用平台，如电可调超分辨率成像，纳米级热操纵，增强分子传感和片上光学电路。相关研究工作以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。祝贺！

图文速递

图1. 极化激元在二维中的负折射

图2. 纳米级负折射的直接观测

作者通过构建由部分覆盖单层石墨烯的α-MoO₃薄膜组成的vdW异质结构来演示深亚波长中红外负折射。α-MoO₃中的声子极化子(PhPs)在Reststrahlen波段II从816到972 cm⁻¹表现出平面内双曲色散，其中沿[100]、[001]和[010]晶体方向的介电常数分量分别满足εx< 0, εy> 0和εz> 0。相比之下，石墨烯在该光谱区域支持高度受限的各向同性等离子体激元，因此α-MoO₃对中的各向异性双曲PhPs与石墨烯等离子体激元形成了光学拓扑跃迁，使我们能够灵活地设计色散和等频轮廓(IFCs)。

图3. 门可调负折射

这种门可调的负折射提供了原位主动控制极化元波前的能力，并在纳米尺度上改变聚焦位置和相应的光场(图3C和D)。随着门电压从+150 V到−150 V的变化，焦点光斑的FWHM横向尺寸减小，焦点场强度增加了一个以上数量级。

通过使用具有不同IFC形状的拓扑极化激元实现的负折射不同于使用具有负折射率的大块材料获得的负折射。本质上依赖于均匀薄膜(α-MoO₃)，其中添加原子薄层(石墨烯)从根本上改变了极化激元模式特性，从而实现负折射。通过改变石墨烯的费米能量(以及相应的拓扑杂化极化元的组成)，可以主动且连续地从正折射转变为负折射，而块体材料的控制仍然是一个挑战。

注意，要实现高度的负折射，所需的掺杂水平是相对较高的。因此，作者使用双层石墨烯，并采用图3中较薄的α-MoO₃薄膜来降低栅极电压的需求，尽管这导致了比图2中较厚样品更短的传播距离。为了平衡传播距离和可调范围，更高效的双(前后)栅极在未来的研究中很有前景，可能与玻璃或离子凝胶间隔器结合使用。

结论与展望

负折射是负折射率材料表现出来的最大特性，也是当今对负折射率材料应用研究的一个主要方向。自然界中，当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象，这种现象称为“正折射”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。在负折射率介质中，由于相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反，频移情况呈逆多普勒效应。

在这项研究中，作者通过设计由半覆盖单层石墨烯的扩展α-MoO₃薄膜组成的vdW异质结构，实验证明了中红外光谱区域从正常折射到负折射的转变。基于红外纳米镜的实空间纳米成像揭示了在大范围入射角上观测到的负折射，这依赖于具有可调谐色散曲线的拓扑极化元。作者利用可逆负折射来演示具有凹或凸波面的纳米级聚焦，由于极激元的高度空间限制和所采用的vdW结构的原子厚度，导致深亚波长焦斑的高度压缩尺寸小于相应照明波长的60倍，强度增强超过10倍，负折射透射率为~90%。从正折射到负折射可以通过静电门进行主动调谐，从而能够原位控制极化元的波前，改变聚焦点及其纳米级光学场。

考虑到现有的二维极化激元材料的广泛范围，作者预计极化激元在其他vdW异质结构中的负折射，例如α-V₂O₅、黑磷和纳米结构超表面(例如，基于同位素纯h-BN)。广泛的现有材料套件可能导致极性负折射覆盖整个中红外和太赫兹区域。强偏振子场约束，对各向异性偏振子传播和聚焦的灵活控制，以及材料叠加和电门控的可调谐性的综合优势，为光学和热应用中的负折射开辟了令人兴奋的途径。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251