研究人员开发超颖表面来操纵红外光

这是波从点状源传播的示意图。剩下：规则的波传播。对：波在双曲形超表面上的传播。

远离点光源传播的光波通常会呈现圆形（凸）波前。“就像掉落石头时在水面上的波浪一样，” nanoGUNE的欧盟Marie Sklodowska-Curie研究员，该论文的第一作者Liining Li解释说。这种圆形传播的原因是，光传播通过的介质通常是均匀且各向同性的，即在所有方向上都是均匀的。

科学家已经从理论上预测到，特定结构的表面在光沿其传播时可以使光的波阵面颠倒。“在这种称为双曲面超曲面的表面上，从点源发出的波仅在特定方向上传播并且具有开放（凹形）的波前，” nanoGUNE的博士生Javier Alfaro解释说。这些不寻常的波称为双曲表面极化子。因为它们仅在某些方向上传播，并且波长要比自由空间或标准波导中的光的波长小得多，所以它们可以帮助使用于传感和信号处理的光学设备小型化。

现在，研究人员为红外光开发了这种超表面。它是基于氮化硼（一种类似于石墨烯的2D材料）而被选择的，因为它具有在极小的长度范围内操纵红外光的能力，因此可以用于开发小型化的化学传感器或用于纳米级光电器件中的热管理。 。另一方面，研究人员成功地使用特殊的光学显微镜直接观察了凹面波前，到目前为止，这是难以捉摸的。

双曲面超曲面的制造具有挑战性，因为需要在纳米尺度上进行极其精确的结构化。nanoGUNE的博士生Irene Dolado和nanoGUNE的前博士后研究员SaülVélez（现为苏黎世ETH）通过电子束光刻和堪萨斯州立大学提供的高质量氮化硼薄片的蚀刻来应对这一挑战。“经过几个优化步骤，我们达到了所需的精度，并获得了间隙尺寸小至25 nm的光栅结构，” Dolado说。“同样的制造方法也可以应用于其他材料，这可以为实现具有定制光学特性的人造超表面结构铺平道路，”SaülVélez补充道。

为了观察波如何沿超表面传播，研究人员使用了由nanoGUNE的纳米光学小组首创的最先进的红外纳米成像技术。他们首先将红外金纳米棒放置在超表面上。“它起着掉入水中的石头的作用，”李佩宁说。纳米棒将入射的红外光聚集到一个微小的点，该点会发射出波，然后沿超表面传播。在所谓的散射型扫描近场显微镜（s-SNOM）的帮助下，研究人员对波进行了成像。“看到这些图像真是太神奇了。它们确实显示出波前的凹曲率从金纳米棒中传播出来，完全符合理论预测。” nanoGUNE的Ikerbasque教授Rainer Hillenbrand说。

该结果有望使纳米结构化2D材料成为双曲面超表面设备和电路的新型平台，并进一步证明近场显微技术如何可用于揭示各向异性材料中的奇异光学现象并验证新的超表面设计原理。

出版物：Li Peining Li等人，“基于纳米范德华材料的红外双曲线超曲面，”《科学》，2018年2月23日：卷359，第6378期，第892-896页； DOI：10.1126 / science.aaq1704