撰稿 | 周倩葦

近日，Junsuk Rho、Cheng-Wei Qiu等人以 “Hyperbolic metamaterials: fusing artificial structures to natural 2D materials”為題在eLight發(fā)表綜述文章。

在過(guò)去的十年中，學(xué)者們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的研究和理解不斷加深，這使得開發(fā)能夠控制光的新技術(shù)也需要進(jìn)一步發(fā)展。其中，光學(xué)超材料可以表現(xiàn)出天然材料所沒(méi)有的獨(dú)特光學(xué)特性。亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)（稱為超原子）的正確設(shè)計(jì)和排列可用于有效控制和操縱光和物質(zhì)相互作用。

圖1：等頻輪廓。a各向同性介質(zhì)，b介質(zhì)雙曲超材料 c金屬雙曲超材料。

在迄今為止實(shí)現(xiàn)的各種超材料中，雙曲超材料 (HMM) 由于其高度各向異性的特性而引起了極大的興趣，見圖1。HMM 的雙曲色散由有效介電常數(shù)張量決定，其中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的主成分具有相反的特性。多層或納米線(NW) 結(jié)構(gòu)的相對(duì)容易制造，這可以產(chǎn)生在光學(xué)頻率下具有三維 (3D) 體響應(yīng)的 HMM。

此外，這種材料支持雙曲線色散，原則上可以允許無(wú)限大的無(wú)界動(dòng)量，因此可以允許非常高的光限制。這種獨(dú)特的各向異性特性已應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用，包括超分辨率成像、負(fù)折射和發(fā)射工程。

傳播損耗是散裝 HMM 的主要限制之一，由于摻入的等離子體材料不可避免的歐姆損耗，因此正在積極尋求減少損耗的方法。因此，二維（2D）雙曲超表面（HMS），呈現(xiàn)雙曲傳播以及大范圍的光限制在表面而不是本體內(nèi)，所以對(duì)損耗不那么敏感。

此外，一些原始的 2D 材料和塊狀晶體可以呈現(xiàn)自然的雙曲線響應(yīng)，無(wú)需結(jié)構(gòu)化，可以為實(shí)現(xiàn) HMM 和 HMS 的有力替代候選者。目前對(duì)于雙曲超材料的文章存在空白，這篇文章將有效填補(bǔ)。

這篇綜述文章首先介紹實(shí)現(xiàn) HMM 的基本理論——雙曲色散、體 HMM 和平面 2D 雙曲材料等詳細(xì)信息。在基本討論之后，文章回顧了 HMMs 和 HMSs 的應(yīng)用進(jìn)展，包括最近報(bào)道的論文和新興領(lǐng)域，重點(diǎn)是高分辨率光學(xué)成像和納米級(jí)光刻、光傳播和操縱、自發(fā)輻射工程、傳感器和吸收器。然后，文章介紹了天然雙曲材料最近取得的巨大進(jìn)展，這是進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)平面雙曲應(yīng)用的關(guān)鍵。文章的最后部分強(qiáng)調(diào)當(dāng)前的挑戰(zhàn)并提出對(duì)雙曲超材料未來(lái)研究的概述作為總結(jié)。

論文信息

Lee, D., So, S., Hu, G. et al. Hyperbolic metamaterials: fusing artificial structures to natural 2D materials. eLight 2, 1 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00008-6

Haoran Ren等人在Light: Science & Applications上撰寫News & Views，高度評(píng)價(jià)該篇工作。

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00688-2

監(jiān)制 | 孫婷婷、郭宸孜、趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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