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前? 言

絕對(duì)令人難以置信的是，隨著科學(xué)家的不懈努力，未來的隱形眼鏡可能將成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)。

諾獎(jiǎng)得主最新發(fā)現(xiàn)！Nature子刊：智能隱形眼鏡催生人工生化時(shí)代？

近期，《自然-通訊》雜志刊登了一篇重要論文，由一位2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表。以上成果發(fā)題為“Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials”研究論文。他們發(fā)現(xiàn)了兩種類似石墨烯的新材料，具有二維結(jié)構(gòu)，并能夠通過調(diào)整光的波長(zhǎng)改變光的方向。這一發(fā)現(xiàn)意味著這些材料具有獨(dú)特的光學(xué)特性，可能會(huì)對(duì)我們的科技世界產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這兩種新材料，二硒化錸（ReSe₂）和二硫化錸（ReS_2），被發(fā)現(xiàn)具有非常獨(dú)特的光學(xué)特性，其光學(xué)軸可以在不同方向移動(dòng)，甚至對(duì)于某些成分可以旋轉(zhuǎn)超過90度。這為光學(xué)操縱提供了全新的可能性，可能在醫(yī)學(xué)、人工智能和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

團(tuán)隊(duì)中的Kostya S. Novoselov（康斯坦丁·諾沃肖洛夫）教授對(duì)此興奮不已，認(rèn)為這是一項(xiàng)突破性的發(fā)現(xiàn)，具有巨大的潛力。他們正在與阿聯(lián)酋的XPANCEO公司合作，旨在開發(fā)下一代計(jì)算機(jī)接口，創(chuàng)造能夠增強(qiáng)人類色彩感知并擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的智能隱形眼鏡。

這些材料的應(yīng)用前景十分廣闊。首先，它們可能成為開發(fā)拉曼光譜生化傳感器的關(guān)鍵，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的早期疾病診斷。其次，將這些材料集成到光子電路中，可能會(huì)極大地增強(qiáng)光子電路的功能，為先進(jìn)的人工智能計(jì)算機(jī)鋪平道路。

XPANCEO公司最近展示了幾款智能隱形眼鏡的原型，包括全息鏡片、集成生物傳感器的鏡片和基于準(zhǔn)二維金箔的透明柔性導(dǎo)體。這些創(chuàng)新令人振奮，但智能隱形眼鏡是否能夠?qū)崿F(xiàn)其宏偉目標(biāo)，尚待時(shí)間驗(yàn)證。

雖然這種未來看起來遙不可及，但我們不應(yīng)低估科學(xué)家們的努力和創(chuàng)造力。就像火箭重復(fù)使用、手機(jī)連接星鏈衛(wèi)星、ChatGPT理解人類語言等技術(shù)一樣，未來可能會(huì)帶來更多不可思議的突破。因此，讓我們期待并解讀這篇論文！！

研究背景

由于材料科學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)具有各向異性介電性質(zhì)的材料平臺(tái)產(chǎn)生了極大的興趣。這種各向異性的產(chǎn)生源于對(duì)稱性的降低，導(dǎo)致了各種非凡的光學(xué)效應(yīng)的出現(xiàn)。其中，主光軸是這些效應(yīng)的關(guān)鍵特征，定義了光與物質(zhì)的相互作用。然而，在過去的研究中，人們通常假設(shè)主光軸是固定不動(dòng)的。近年來，隨著對(duì)材料結(jié)構(gòu)的更深入探索，發(fā)現(xiàn)了一些低對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，如范德瓦爾斯硫化錸和硒化錸，其主光軸在空間波長(zhǎng)域中呈現(xiàn)出漫游的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的極大興趣。在這些低對(duì)稱晶體中，主光軸的漫游給光的傳播方向帶來了波長(zhǎng)可切換的特性，這為其波導(dǎo)模式的應(yīng)用提供了新的可能性。然而，對(duì)于這種漫游主光軸現(xiàn)象的物理起源還存在許多未解之謎。

為了解決這一問題，英國曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院Kostya S. Novoselov教授等人采用了多激子現(xiàn)象學(xué)模型和從頭計(jì)算的方法，成功解釋了漫游主光軸的形成機(jī)制。特別是，由于晶體結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，這些晶體的介電張量的主光軸在波長(zhǎng)變化時(shí)會(huì)發(fā)生漫游。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解這類低對(duì)稱范德瓦爾斯晶體的光學(xué)性質(zhì)具有重要意義。除了理論研究，科學(xué)家們還通過近場(chǎng)納米成像等實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，并揭示了這些晶體在光與物質(zhì)相互作用方面的高波長(zhǎng)靈敏度。這為利用這些材料進(jìn)行先進(jìn)的光路由提供了新的思路?？梢钥吹?，研究人員在理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了重要進(jìn)展，為探索和利用低對(duì)稱范德瓦爾斯晶體的各向異性現(xiàn)象和納米光子學(xué)應(yīng)用提供了新的平臺(tái)和可能性。

圖文導(dǎo)讀

為了研究ReS₂和ReSe₂的光學(xué)性質(zhì)，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，這兩種材料具有最低對(duì)稱的三斜晶體結(jié)構(gòu)。如圖1a–c所示，這些實(shí)驗(yàn)表明這兩種材料在非共線激子的影響下表現(xiàn)出高線性和非線性光學(xué)各向異性。值得注意的是，激子的極化之間的角度約為70°，而不是預(yù)期的90°，這是由于1?T結(jié)構(gòu)的Peierls畸變引起的。該畸變導(dǎo)致了主光軸的漫游，從而產(chǎn)生了非平凡的光學(xué)響應(yīng)，例如非正交的自混合極化子。圖1展示了ReS₂和ReSe₂的晶體結(jié)構(gòu)，其中a和b分別沿c軸和a軸的方向。

圖1c呈現(xiàn)了晶胞的三維視圖，其中α、β和γ是三斜晶體的晶體學(xué)角度。在圖1d和e中，通過示意圖展示了介電張量的埃爾米特部分和反埃爾米特部分的漫游主光軸。這兩個(gè)部分分別負(fù)責(zé)極化和損耗，根據(jù)Onsager定理，介電張量是對(duì)稱的。然而，值得注意的是，埃爾米特和反埃爾米特張量的對(duì)角化基底可能隨波長(zhǎng)變化，導(dǎo)致波長(zhǎng)分散的主光學(xué)軸。這種現(xiàn)象解釋了早期研究中對(duì)ReS₂光學(xué)性質(zhì)的觀察。

圖1. 三斜晶體中波長(zhǎng)色散主光軸的概念圖

圖2展示了這項(xiàng)研究的關(guān)鍵內(nèi)容。首先，通過制備ReS₂和ReSe₂樣品（圖2a、b），并測(cè)量了圍繞激子共振的偏振透射率（圖2c），作者展示了主光學(xué)軸隨著激子共振而改變的現(xiàn)象。為了捕捉其波長(zhǎng)依賴性，圖2d-e展示了ReS₂的偏振光譜，同時(shí)附錄注釋2展示了ReSe₂的光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在某些偏振下，激子光譜的谷消失，揭示了激子的取向。

此外，圖2e和附錄注釋2展示了漫游的主光學(xué)軸，即主光學(xué)軸隨著波長(zhǎng)的變化而漂移。對(duì)于ReS₂而言，主光學(xué)軸在550和650?nm處相對(duì)于b軸的傾斜分別為3°和2°，與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。拉曼光譜的研究進(jìn)一步驗(yàn)證了主光學(xué)軸漫游的影響。通過現(xiàn)象學(xué)的雙激子模型，作者成功地描述了ReS₂和ReSe₂主光學(xué)軸行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型的一致性證實(shí)了激子在這一現(xiàn)象中的重要性。

圖2. 三斜ReS₂ 中游離（波長(zhǎng)色散）主光軸的觀測(cè)結(jié)果

在圖3中展示ReS₂和ReSe₂主光學(xué)軸的漫游效應(yīng)對(duì)光的有效操縱。首先圖3a展示了在透射模式下使用散射掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）的實(shí)驗(yàn)配置。為了消除邊緣效應(yīng)對(duì)近場(chǎng)圖像的影響，他們?cè)赗eSe₂樣品內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)圓形孔。通過s-SNOM測(cè)量，在不同波長(zhǎng)下，作者觀察到了波導(dǎo)模式的橢圓形光傳播（圖3b-d）。這些橢圓隨著波長(zhǎng)的變化而旋轉(zhuǎn)，表明主光學(xué)軸的漫游性質(zhì)。圖3e-g顯示了主軸相對(duì)于入射偏振方向的角度依賴關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了主光學(xué)軸隨波長(zhǎng)變化而改變的現(xiàn)象。這些觀察結(jié)果表明，漫游主光學(xué)軸為在光學(xué)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可切換的光學(xué)提供了新的可能性，無需額外的結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)。

圖3. 三斜ReSe₂ 中游離（波長(zhǎng)色散）主光軸的實(shí)空間納米成像

圖4展示了這些計(jì)算的關(guān)鍵結(jié)果。首先圖4a和g顯示了介電張量的厄米部分和斜厄米部分，這些張量元素是非零的，而且張量在正交基上不可對(duì)角化。作者進(jìn)一步將這些部分進(jìn)行了分解并分別對(duì)角化，得到了對(duì)角化后的張量（圖4b和d），這些對(duì)角化的基底與主光學(xué)軸重合。圖4c-f和i-l展示了在這些對(duì)角化張量中主光學(xué)軸的變化情況，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（見圖2）一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了ReS₂和ReSe₂中主光學(xué)軸的波長(zhǎng)漫游效應(yīng)。此外，介電張量主光學(xué)軸的非直接方向還導(dǎo)致了與全局z軸的傾斜等頻表面，這可能引發(fā)一系列有趣的傳輸現(xiàn)象?？偟膩碚f，這些計(jì)算結(jié)果為我們更深入地理解ReS₂和ReSe₂的光學(xué)性能提供了重要的見解，為光學(xué)工程提供了更大的靈活性和潛力。

圖4. 塊狀ReS₂ 介電張量的第一原理計(jì)算

結(jié)論與展望

本文揭示了三斜vdW材料中漫游主光學(xué)軸的存在并闡明了其對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響。這一發(fā)現(xiàn)啟示了我們對(duì)材料光學(xué)特性的理解必須考慮到晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，而不僅僅局限于介電張量的數(shù)值。此外，漫游主光學(xué)軸為納米光子學(xué)和元器件設(shè)計(jì)提供了全新的自由度，為開發(fā)波長(zhǎng)可調(diào)的超材料、超表面和波導(dǎo)等提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這一研究為探索更多具有低對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的材料的光學(xué)性質(zhì)開辟了新的方向，有望推動(dòng)納米光子學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Ermolaev, G.A., Voronin, K.V., Toksumakov, A.N. et al. Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials. Nat Commun 15, 1552 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45266-3

原創(chuàng)文章，作者：Jenny（小琦），如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/03/25/33e007f430/

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