以创纪录的方式弯曲光线

由威斯康星大学麦迪逊分校、南加州大学和圣路易斯华盛顿大学的科学家和工程师领导的团队创​​造了一种独特的创纪录材料，可以将红外线向两个方向弯曲。

该团队五年内第二次制造出地球上具有最高程度“双折射”的晶体。这次他们打破了自己的记录，新的高性能晶体可能会带来夜视、激光雷达、化学传感、显微镜和许多其他应用的创新。

该工作发表在《AdvancedMaterials》杂志上。威斯康辛大学麦迪逊分校的领导者是梅红艳(HongyanMei)，她是一名电气和计算机工程博士。学生和JadSalman，2022年博士生。两人均毕业于电气与计算机工程副教授MikhailKats的团队。

当光从一种物质传播到另一种物质时(例如，从空气传播到水，或从水传播到玻璃)，它会减慢可预测的量，从而导致光线弯曲。这种弯曲称为折射。

当光线进入各向异性材料(该材料的属性随方向不同而不同)并分裂成两束光线，每束光线的方向不同时，就会发生双折射。想象一束棒组合在一起，沿着其长度方向具有一个折射率或弯曲能力的测量值，而另一个则沿着垂直方向。这两个折射率之间的差异称为双折射。

尽管该团队之前有创纪录双折射的经验，但Kats和他的团队惊讶地发现，这种名为硫化钛锶(Sr9/8TiS3或STS)的新材料的双折射是之前记录保持者的双折射的3倍、硫化钛钡(BaTiS3或BTS)，其应该具有类似的结构。

确切地说，为什么是一个谜。对博士生长的锶钛硫化物进行原子级检查后。南加州大学的学生兼共同主要作者赵博阳及其同事发现，它的锶原子数量比预期多一些。这些额外的原子产生了差异：它们使晶体具有更大的重复结构或周期性，而不是单一的、不变的晶体结构。

圣路易斯华盛顿大学的同事，包括博士。学生兼共同主要作者任国栋研究了这种排列，提出了巨大光学各向异性的原子尺度理论。

“事实证明，当你拥有这种特殊的晶体排列时，该结构会导致材料沿一个方向的折射率增强，”卡茨说。“这是非常非常出乎意料的。你通常不会想到如此小的原子尺度变化会导致光学特性如此大的差异。”

梅说，这一发现意义重大。“这种程度的各向异性是在任何光学材料中测量到的最大程度。”

原子结构的微小变化可能导致材料光学特性发生巨大变化的观察结果也可能产生其他后果。“我们也许能够找到类似的材料，其中小的外部刺激——无论是弯曲、加热还是通过电流——都可以动态地改变光学响应，”卡茨说。“如果你有一种材料可以通过按下按钮来调节折射率的如此大的变化，那么一种全新的光学应用就成为可能。”

目前，该合成方法只能产生小片的硫化锶钛。经过南加州大学同事的一些改进，有可能制造出用于现代光学技术的大型单晶材料。

现在既然知道了晶体的独特结构，那么寻找具有相似甚至更强光学性质的其他晶体也是可能的。“这种类型的材料有一整套似乎隐藏着各种各样的秘密，”凯茨说。“当我们进一步深入研究这类材料时，我们会发现什么，我们对此感到非常兴奋。”

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