双曲超材料：人工结构融合天然二维材料

撰稿 | 周倩苇

近日，Junsuk Rho、Cheng-Wei Qiu等人以 “Hyperbolic metamaterials: fusing artificial structures to natural 2D materials”为题在eLight发表综述文章。

在过去的十年中，学者们对光与物质相互作用的研究和理解不断加深，这使得开发能够控制光的新技术也需要进一步发展。其中，光学超材料可以表现出天然材料所没有的独特光学特性。亚波长尺寸结构（称为超原子）的正确设计和排列可用于有效控制和操纵光和物质相互作用。

图1：等频轮廓。a各向同性介质，b介质双曲超材料 c金属双曲超材料。

在迄今为止实现的各种超材料中，双曲超材料 (HMM) 由于其高度各向异性的特性而引起了极大的兴趣，见图1。HMM 的双曲色散由有效介电常数张量决定，其中电场或磁场的主成分具有相反的特性。多层或纳米线(NW) 结构的相对容易制造，这可以产生在光学频率下具有三维 (3D) 体响应的 HMM。

此外，这种材料支持双曲线色散，原则上可以允许无限大的无界动量，因此可以允许非常高的光限制。这种独特的各向异性特性已应用于各种不同的应用，包括超分辨率成像、负折射和发射工程。

传播损耗是散装 HMM 的主要限制之一，由于掺入的等离子体材料不可避免的欧姆损耗，因此正在积极寻求减少损耗的方法。因此，二维（2D）双曲超表面（HMS），呈现双曲传播以及大范围的光限制在表面而不是本体内，所以对损耗不那么敏感。

此外，一些原始的 2D 材料和块状晶体可以呈现自然的双曲线响应，无需结构化，可以为实现 HMM 和 HMS 的有力替代候选者。目前对于双曲超材料的文章存在空白，这篇文章将有效填补。

这篇综述文章首先介绍实现 HMM 的基本理论——双曲色散、体 HMM 和平面 2D 双曲材料等详细信息。在基本讨论之后，文章回顾了 HMMs 和 HMSs 的应用进展，包括最近报道的论文和新兴领域，重点是高分辨率光学成像和纳米级光刻、光传播和操纵、自发辐射工程、传感器和吸收器。然后，文章介绍了天然双曲材料最近取得的巨大进展，这是进一步研究实现平面双曲应用的关键。文章的最后部分强调当前的挑战并提出对双曲超材料未来研究的概述作为总结。

论文信息

Lee, D., So, S., Hu, G. et al. Hyperbolic metamaterials: fusing artificial structures to natural 2D materials. eLight 2, 1 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00008-6

Haoran Ren等人在Light: Science & Applications上撰写News & Views，高度评价该篇工作。

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00688-2

监制 | 孙婷婷、郭宸孜、赵阳

编辑 | 赵唯

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