負折射（Negative refraction）指的是光束在界面處的折射方向與正常折射方向（正常的折射光線與入射光線在法線異側）相反，即折射光線和入射光線位于法線同側的電動力學現象。自然界中至今未發現天然存在的負折射材料，目前報告的所有負折射材料都是由實驗室人工制備的。通常，具備負介電常數和負磁導率的超材料可以得到負折射率這一現象，這種材料也被稱作負折射率材料。
美國哥倫比亞大學A. J. Sternbach教授（通訊作者）研發了一種由氧化鉬（MoO3）和同位素純的六方氮化硼（h11BN）組成的雙曲異質雙晶體，并利用10 nm超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM探究了其中的負折射現象。研究表明，當材料中極化子所形成的準直射線通過兩種雙曲范德華材料（h11BN-MoO3）平面界面時，其表現出的折射率為負。在一個特殊頻率ω0下，這些光線甚至可以沿著封閉的菱形軌跡循環。研究成果以“Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”為題發表在Science上。
在本文中，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM為研究者提供了充足的空間分辨率，該分辨率滿足了納米尺度下對極化子射線的有效表征；設備所使用的超窄帶中紅外脈沖激光器（譜寬小于4 cm-1）為準確探知重疊剩余射線頻帶內的準單色激發頻率提供了先決條件。
超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM
下圖中，作者在h11BN-MoO3-Au堆積樣品中的x-y平面上，通過10 nm超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM獲得的不同表面的振幅近場成像圖。其中（A）為h11BN-MoO3-Au上表面的振幅成像信息，（B）為MoO3-Au表面的振幅成像信息。圖中的金色長方形塊體代表用于激發極化子的金條所置放的位置?？梢钥吹?，在雙晶體構成的樣品A中，極化子射線從金射出后，在經過h11BN-MoO3界面時產生了負折射的現象。正如前文所述，這種現象能被直接觀察到的兩個要點為：（1）近場光學顯微鏡-neaSNOM 20 nm級空間分辨率：樣品A中，hBN的厚度為98 nm， MoO3的厚度為290 nm。二者界面處發生的光學現象所產生的近場信號需要更好的納米級空間分辨率的探知才能觀察到；（2）超窄帶中紅外脈沖激光器：極化子射線可以由不用波段的中紅外激光激發。根據所用的激發光源的波數不同，產生的極化子射線的負折射率也不相同。而只有本次實驗所采用的787 cm-1下（所謂特殊頻率ω0），才能觀察到激發出的射線沿著封閉的菱形軌跡循環。
具有負折射性質的材料會改變發射、非線性光學，而且還可能捕獲光以及產生透鏡效應。相關材料有著非常廣闊的應用前景和研究價值。而對負折射性質的觀察方面，Neaspec的10 nm超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM無疑提供了一種準確且可靠的有力工具。
參考文獻：
[1]. “Negative refraction in hyperbolic hetero-bicrystals”（Science，2023，10.1126/science.adf1065）
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