一种名为氯氧化钼的非凡晶体有望助力智能隐形眼镜和超薄AR眼镜等未来技术成为现实。科学家绘制了首张详尽的实验图谱以展示其光学性质，揭示了在天然材料中测得的最强光弯曲效应。这种晶体既能像反射金属一样运作，又能像透明玻璃一样透光，使其能够以非凡的效率操控光线，同时其厚度比人类头发还要薄数千倍。
XPANCEO 的团队与新加坡国立大学和布拉格化学与技术大学的科学家合作，报告了该领域的重大进展。他们的研究聚焦于一种名为氯氧化钼 (MoOCl2) 的层状晶体，该晶体展现出一系列异常的光学特性，可能有助于大幅缩小未来的光学器件。
这项研究发表在《纳米快报》(Nano Letters) 上，首次对晶体的光学行为进行了实验图谱绘制。研究结果表明，MoOCl2 表现出迄今为止在天然材料中测得的最强光弯曲效应，可能为更小、更强大的光学技术开辟道路。
一种兼具金属与玻璃特性的晶体
研究人员将 MoOCl2 描述为一种光学“变色龙”。其行为随晶体的取向而变化。
当以某种方式放置时，它像金属一样反射光线。将其旋转 90 度，它就会变得像玻璃一样透明。这种不寻常的特性源于其极端的光学各向异性，意味着其特性随方向的不同而发生剧烈变化。
该晶体还具有约 2.2 的面内双折射值，使其能够以极高的效率分光和弯曲光线。对于 XPANCEO 而言，这可能使其能够利用比人类头发丝还细数千倍的材料，实现 AR 显示器所需的复杂光控制。
可见光中发现罕见的光减速效应
研究人员还在 512 纳米（绿光）处发现了一个罕见的 epsilon 近零点。
在该点，材料光学响应的一部分几乎降至零。结果是，光实际上减速了，而晶体内部的电场变得更强。这种组合可以显著增强光与物质之间的相互作用。
对于集成光子芯片，这种效应可能具有特殊价值。更强的光-物质相互作用可能实现更快的数据处理，同时大幅降低功耗。
科学家为何对 MoOCl2 感兴趣
物理学家因其异常的电子结构，已对 MoOCl2 进行了数年的研究。
该材料被归类为“坏金属”，包含钼原子的一维链。这些链允许电子在一个方向上比在另一个方向上更容易移动。因此，晶体沿一个轴表现得像金属，而沿垂直轴表现得像电介质，从而产生了极强的各向异性。
此前发表在《科学》(Science) 和《自然-通讯》(Nature Communications) 上的研究已经观察到被称为双曲等离激元的紧密束缚光波穿过晶体。这些实验表明，MoOCl2 能够以高度定向且意想不到的方式引导光线。
然而，拼图中仍缺失重要的一块。科学家可以观察到光学效应，但尚未直接测量材料的完整光学常数。没有这些测量数据，基于该晶体设计实用设备仍然困难得多。
绘制晶体的光学特性图谱
这项新工作提供了这些缺失的测量数据。
研究人员发现，在可见光谱绿色区域的 512 纳米附近，晶体光学响应的一个分量接近于零。实际上，这可以增强材料内部的电场并减缓光速，将电磁能量压缩到极小的体积内，从而增强光与物质的相互作用。
这种现象被称为可见光 epsilon 近零 (ENZ) 点。虽然许多材料仅在深紫外或中红外区域表现出 ENZ 行为，但 MoOCl2 在可见光谱内达到这种状态。这一点尤为重要，因为许多现有技术，包括激光器、显微镜、相机和传感系统，已经在此范围内工作。
“观察现象是第一步，但工程设计需要精确的数据，”XPANCEO 创始人兼首席技术官、该研究的通讯作者 Valentyn Volkov 博士说。“通过严格测量 MoOCl2 的完整介电张量，我们的工作提供了必要的实验基础，以理解该材料为何表现出这种行为，并更有信心围绕它进行设计。这使其成为该领域一项有价值的科学成果，在紧凑型偏振光学、非线性器件，以及从长远来看包括智能隐形眼镜在内的高度微型化集成系统中具有潜在意义。”
缩小未来的光学硬件
详细的光学图谱也突显了该材料在进一步微型化光学技术方面的潜力。
由于其极强的结构各向异性，MoOCl2 发挥着天然双曲介质的作用。简而言之，这允许光在晶体内部通过高度定向的纳米级路径传播而不发生衍射（或散射），这是构建更小光路的关键要求。
其在可见光谱中工作的能力进一步增强了其对集成光子芯片的吸引力，因为在这些芯片中，光必须在极小的空间内进行路由、滤波和聚焦。
研究人员指出了几种可能的应用。其中包括用于在紧凑型光学系统中控制光方向的超薄宽带偏振器，以及能够在小于传统光学允许的空间内引导光的亚衍射波导。
研究结果还表明了非线性纳光子学领域的机遇，其中强烈的光-物质相互作用可用于产生新颜色的光或更高效地处理光信号。