科研人员发现了一种天然双曲材料三氧化钼

在光学设计中，红外系统的设计与可见光系统的设计大不相同，集中表现在光学材料的选择上，考虑到透过率和其他光学特性，红外光学设计往往选择一些比较特殊的光学材料，比如各种晶体类的材料。许多晶体都具有出双折射特性，这有利于控制入射光的偏振。在实际应用中，实现偏振控制所需的晶体尺寸与入射光波长和双折射强度成正比，对于中远红外成像系统来说，晶体厚度在毫米量级。

最近，科研人员发现了一种天然双曲材料，该材料具有被称为面内双曲性的极端光学性质，这种性质可以有可能使红外光学元件变得更为小巧。

所谓的双曲材料是一种特殊材料，对沿某一轴的光具有极高的反射率，并沿垂直轴进行光反射，这种两轴都在同一平面内的材料能够被用来制造诸如超薄波片等可改变入射光偏振的光学元件。这种材料的反射特性允许光在极小尺寸范围内被操纵和限制。最初人们双曲特性只存在于人造材料中，2014年研究人员在天然材料六方氮化硼中观察到了这种特性。六方氮化硼和三氧化钼的反射行为均来自于晶格振动，即以高度各向异性方式振荡的光学声子，抑制了材料对光的吸收。

研究人员对三氧化钼的研究表明该类材料在长波红外存在双曲特性，利用这种特性，通过形成称为双曲声子极化激元的混合光与物质激发，可以将光限制在比其波长小得多的尺寸上，这种极化激元的寿命长达是六方氮化硼最长寿命的10倍。三氧化钼的晶体结构具有高度各向异性，晶体三个晶体轴的长度均不同，与这些晶体轴关联的声子能量和折射率均存在很大差异。研究表明，三氧化钼等材料可用于精确控制红外光偏振。

图a中的光学元件为波片，可将线性偏振光转换为圆偏振光。在红外波段，传统材料制成的波片厚度通常超过1mm。若三氧化钼来代替传统材料，厚度仅为几十微米。

图b中的元件为偏振片，可将非偏振光转换成线性偏振光。在红外波段，用传统材料制成的偏振片通常需要很厚并使用大量金属栅线。如果用三氧化钼材料，不需要栅线就可以实现相同的功能。

图c为用传统材料制成的纳米级光子结构，可产生非偏振红外光，替换成三氧化钼就可以产生线性偏振。

除了用于光学元件制作，三氧化钼的这种特性还可能推动纳米光子学的发展，即将光限制在纳米级尺度。纳米级的光限制必然意味着突破衍射极限，通常情况下光不能被集中到比其波长小得多的尺寸，但三氧化钼可以突破这一限制，使改进型红外发射器件成为可能。

诸如三氧化钼等双曲性材料还可作为超透镜的基础材料，超透镜可对比成像光波长小的物体产生放大图像。这类材料也可用于异质结构（将不同材料层相结合的结构），以制造具有可控特性的纳米光子学元件。

现有的研究成果为红外光学和纳米光子学领域贡献了实质性进展，或能使红外成像及探测像可见光成像那样普及，让透视烟雾、即时医学诊断、增强化学光谱学等成为可能。