光也能倒過來？研究人員將光線顛倒

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】來自CIC nanoGUNE(西班牙聖塞巴斯蒂安)和合作者的研究人員已經在科學上報道了所謂的雙曲線變面的發展，光在這個表面上以完全重塑的方式傳播。這一科學成就更精確地控制和監測光，對於微型化光學器件的感測和信號處理非常有趣。nanoGUNE的研究員、該論文的第一作者Peining Li說：從點光源傳播的光波一般呈圓形(凸)波陣面。就像當石頭掉下來的時候，水面上的波浪一樣。這種循環傳播的原因是光傳播的介質通常是均勻的和各向同性的。，均勻分布於各個方向。

從點狀光源傳播的波的圖示，左：規則波傳播；右：波浪在雙曲線的超表面上傳播。圖片版權：P. Li, CIC nanoGUNE

nanoGUNE的博士生Javier Alfaro解釋說：科學家們從理論上推測，特定結構的表面在傳播過程中，會使光的波面朝下翻轉。「在這樣的表面，被稱為hyberbolic的metasurfaces，從一個點源發出的波只在特定的方向上傳播，並且有開放的(凹的)波面。這些不尋常的波被稱為雙曲表面極化。因為它們只在特定的方向上傳播，而且波長比自由空間或標準波導的光小得多，它們可以幫助微縮光學器件進行感測和信號處理。現在研究人員已經開發出了一種紅外線的超視距。它是基於氮化硼，一種類似石墨烯的二維材料，之所以被選中，是因為它能夠在極短的尺度上操縱紅外線。這在微型化化學感測器或納米級光電器件的熱管理方面有應用。研究人員用一種特殊的光學顯微鏡直接觀察凹面波面。

雙曲型元面體是一種極具挑戰性的製造方法，因為在納米尺度上有一種非常精確的結構。nanoGUNE的博士生艾琳·多拉多(Irene Dolado)，以及曾在nanoGUNE(現在是蘇黎世ETH)做博士後研究的索爾·維雷斯(Saul Velez)，利用電子束光刻技術和由美國肯薩斯州立大學(Kansas State University)提供的優質氮化硼薄片蝕刻，掌握了這一挑戰。經過幾個優化步驟達到了要求的精度，得到了小到25納米的縫隙尺寸的光柵結構。「同樣的製造方法也可以應用到其他材料上，這可以為實現人造的超表面結構和定製光學特性鋪平道路。

為了觀察海浪如何沿著metasurface傳播，研究人員使用了一種先進的紅外納米成像技術，該技術是由nanoGUNE的納米光學小組首創的。他們首先把一個紅外線金納米棒放在了金屬板上。它扮演了一個石頭掉入水中的角色。納米棒將入射的紅外光聚焦到一個微小的點上，它發射的波沿著元表面傳播。在一種所謂的散射式掃描近場顯微鏡(s-SNOM)的幫助下，研究人員對波進行了成像，看到這些照片真是太棒了。他們確實顯示出了波前的凹面曲率，這些波面正在從金納米棒上傳播，就像理論所預測的那樣。結果表明，納米結構的二維材料將成為hyberbolic metasurface器件和電路的一個新平台，並進一步論證了近場顯微鏡如何應用於在各向異性材料中揭示奇異的光學現象，並驗證新元的設計原理。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Science

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Elhuyar Fundazioa

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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