負(fù)折射（Negative refraction）指的是光束在界面處的折射方向與正常折射方向（正常的折射光線與入射光線在法線異側(cè)）相反，即折射光線和入射光線位于法線同側(cè)的電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。自然界中至今未發(fā)現(xiàn)天然存在的負(fù)折射材料，目前報(bào)告的所有負(fù)折射材料都是由實(shí)驗(yàn)室人工制備的。通常，具備負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料可以得到負(fù)折射率這一現(xiàn)象，這種材料也被稱作負(fù)折射率材料。
美國哥倫比亞大學(xué)A. J. Sternbach教授（通訊作者）研發(fā)了一種由氧化鉬（MoO3）和同位素純的六方氮化硼（h11BN）組成的雙曲異質(zhì)雙晶體，并利用10 nm超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM探究了其中的負(fù)折射現(xiàn)象。研究表明，當(dāng)材料中極化子所形成的準(zhǔn)直射線通過兩種雙曲范德華材料（h11BN-MoO3）平面界面時(shí)，其表現(xiàn)出的折射率為負(fù)。在一個(gè)特殊頻率ω0下，這些光線甚至可以沿著封閉的菱形軌跡循環(huán)。研究成果以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”為題發(fā)表在Science上。
在本文中，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM為研究者提供了充足的空間分辨率，該分辨率滿足了納米尺度下對(duì)極化子射線的有效表征；設(shè)備所使用的超窄帶中紅外脈沖激光器（譜寬小于4 cm-1）為準(zhǔn)確探知重疊剩余射線頻帶內(nèi)的準(zhǔn)單色激發(fā)頻率提供了先決條件。
超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM
下圖中，作者在h11BN-MoO3-Au堆積樣品中的x-y平面上，通過10 nm超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM獲得的不同表面的振幅近場(chǎng)成像圖。其中（A）為h11BN-MoO3-Au上表面的振幅成像信息，（B）為MoO3-Au表面的振幅成像信息。圖中的金色長方形塊體代表用于激發(fā)極化子的金條所置放的位置。可以看到，在雙晶體構(gòu)成的樣品A中，極化子射線從金射出后，在經(jīng)過h11BN-MoO3界面時(shí)產(chǎn)生了負(fù)折射的現(xiàn)象。正如前文所述，這種現(xiàn)象能被直接觀察到的兩個(gè)要點(diǎn)為：（1）近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM 20 nm級(jí)空間分辨率：樣品A中，hBN的厚度為98 nm， MoO3的厚度為290 nm。二者界面處發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象所產(chǎn)生的近場(chǎng)信號(hào)需要更好的納米級(jí)空間分辨率的探知才能觀察到；（2）超窄帶中紅外脈沖激光器：極化子射線可以由不用波段的中紅外激光激發(fā)。根據(jù)所用的激發(fā)光源的波數(shù)不同，產(chǎn)生的極化子射線的負(fù)折射率也不相同。而只有本次實(shí)驗(yàn)所采用的787 cm-1下（所謂特殊頻率ω0），才能觀察到激發(fā)出的射線沿著封閉的菱形軌跡循環(huán)。
具有負(fù)折射性質(zhì)的材料會(huì)改變發(fā)射、非線性光學(xué)，而且還可能捕獲光以及產(chǎn)生透鏡效應(yīng)。相關(guān)材料有著非常廣闊的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。而對(duì)負(fù)折射性質(zhì)的觀察方面，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡-neaSNOM無疑提供了一種準(zhǔn)確且可靠的有力工具。
參考文獻(xiàn)：
[1]. “Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”（Science，2023，10.1126/science.adf1065）
相關(guān)產(chǎn)品：
1. neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)：http://www.buyu5683.com/product/2022031114.shtml
