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負折射現(xiàn)象,近場光學(xué)顯微鏡,發(fā)文Science!

來源:QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司   2024年01月06日 17:45  
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      負折射(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)的電動力學(xué)現(xiàn)象。自然界中至今未發(fā)現(xiàn)天然存在的負折射材料,目前報告的所有負折射材料都是由實驗室人工制備的。通常,具備負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率的超材料可以得到負折射率這一現(xiàn)象,這種材料也被稱作負折射率材料。

      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光學(xué)顯微鏡-neaSNOM探究了其中的負折射現(xiàn)象。研究表明,當材料中極化子所形成的準直射線通過兩種雙曲范德華材料(h11BN-MoO3)平面界面時,其表現(xiàn)出的折射率為負。在一個特殊頻率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)為準確探知重疊剩余射線頻帶內(nèi)的準單色激發(fā)頻率提供了先決條件。


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超高分辨散射式近場光學(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光學(xué)顯微鏡-neaSNOM獲得的不同表面的振幅近場成像圖。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界面時產(chǎn)生了負折射的現(xiàn)象。正如前文所述,這種現(xiàn)象能被直接觀察到的兩個要點為:(1)近場光學(xué)顯微鏡-neaSNOM 20 nm級空間分辨率: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)生的近場信號需要更好的納米級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折射率也不相同。而只有本次實驗所采用的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)。


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      具有負折射性質(zhì)的材料會改變發(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)用前景和研究價值。而對負折射性質(zhì)的觀察方面,Neaspec的10 nm超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡-neaSNOM無疑提供了一種準確且可靠的有力工具。

參考文獻:
[1]. “Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”(Science,2023,10.1126/science.adf1065)


相關(guān)產(chǎn)品:
1、超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡-neaSNOM
2、neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)



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