Scientists discover novel metamaterial properties within hexagonal boron nitride
http://phys.org/news/2014-11-scientists-metamaterial-properties-hexagonal-boron.html
2014.11.20
美國海軍研究實驗室（NRL）科學家與來自英國 Manchester 大學、倫敦帝國學院（ICL）、UCSD 以及日本國立材料科學研究所（NIMS）的科學家合作，證明在六邊形氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）內的受限表面聲子極化子（confined surface phonon polaritons）展現出獨特的超材料特性，那使新穎的奈米級光學裝置能用於光學通訊、超解析度成像以及改良紅外線相機及偵測器上。
超材料（Metamaterials）是各種材料的人造複合物，能展現出在自然界中無法預期的光學特性。其中一樣特性是雙曲性（hyperbolicity），材料藉此可在不同的晶軸（crystal axes）上同時展現出金屬與介電質（dielectric）般的光學響應。這些雙曲超材料是許多潛在應用的基礎，例如超透鏡（hyperlenses），可用於傳統光學看不到的、奈米級之物體的成像。
"我們對於 hBN 的特性檢查，用的是一種自然的雙曲材料，在三個維度上，首度進行亞衍射導波侷限（sub-diffractional guided waves confined）的實驗性觀測，" Joshua Caldwell, Ph.D., 電子科技部強力電子（Power Electronics）處。"接下來，也許會導致破壞性（disruptive）技術的產生，例如因 hBN 當中的亞衍射模態（modes）之容量邊界限制（volume-bound confinement）所造就出來的奈米級光纖等同物。"
能以紅外光激發的光學聲子（Optic phonons，或結晶體振動），也能把光線侷限在比光波長還要小很多的尺寸內，卻同時維持創紀錄的高效率。這些表面聲子極化子可類比於金屬或摻雜半導體中的電子震盪，稱為電漿子（plasmons），但具有低損耗的優勢，而且可在紅外線到 THz 的光譜範圍內運作。
身為一種凡得瓦晶體（van der Waels crystal） -- 一種類似石墨烯或石墨的成層結晶體構造 -- hBN 的效率經證明比至今所發現的雙曲超材料高出二個數量級（百倍），Caldwell。與金屬╱介電質雙曲超材料不同， hBN 也提供這二種雙曲性類型的額外功能：只要改變激發光之波長，就能使平面上（in-plane）或平面外（out-of-plane）晶軸表現如同金屬般（反射）或介電質般（透明）。這種二類型雙曲行為的混和獨一無二，且使這二種體制內的天線進行根本上的比較成為可能。
利用 hBN 的天然雙曲特性，研究者能夠證明光也能被困在光學天線（optical antennas）內 -- 比光波長還要短 86 倍，例如將 6.8 微米的光侷限到 0.08 微米高的天線 -- 同時由於介電質結晶體天生的低損耗，而能夠維持創紀錄的高效率。
研究者可更進一步證明，被侷限在這些天線內之雙曲極化子的共振波長只與長寬比相關（aspect ratio），且一般獨立於實際大小和╱或形狀 -- 證明若為了特定應用而定義天線，只要控制長寬比即可，也因而使得它們與各式各樣的裝置規格（form-factors）能夠相容。這使得「選頻操作」與「奈米光子回路（nanophotonic circuits）」成為可能，同也為奈米級物體的中紅外線成像提供了可用的（operational）材料。
研究團隊也證明，共振響應展現出不只是單一模態，而是四種分離的序列，而且根據 Caldwell 表示，涉及簡單表面之入射光波長和╱或角度的改變，能分離出每一種序列，為這種新奇、三次元侷限的雙曲極化子模態提供第一個完整的描述。
更進一步的研究發現，這些突破對於強化紅外線或分子光譜學、改善奈米光子回路的功能性，以及用於紅外線相機、偵測器以及武器引導系統還有訂作的熱游離裝置等領域而言，可能有所影響。
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