科学网—奇怪的晶体同时起着金属和玻璃的作用
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2026-6-1 20:23
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奇怪的晶体同时起着金属和玻璃的作用
XPANCEO自然科学研究有限责任公司(XPANCEO Research on Natural Science LLC, http://sciencedaily.com/releases/2026/06/260601025322.htm )2026年6月1日报道,有一种奇怪的晶体同时起着金属和玻璃的作用。它实际上就是一种名为氯氧化钼(MoOCl2)的非凡晶体，可以帮助实现智能隐形眼镜和超薄AR眼镜等未来技术。科学家们创建了第一张详细的光学特性实验图，揭示了在天然材料中测量到的最强的光弯曲效应。这种晶体可以像反射金属或透明玻璃一样工作，使其能够以非凡的效率操纵光线，同时比人类头发细数千倍。
创造几乎看不见的可穿戴技术，如智能隐形眼镜和超薄增强现实（augmented reality简称AR）眼镜，将需要对传统光学元件进行彻底的重新设计。研究人员正在探索可以在原子尺度上操纵光的材料，而不是依赖笨重的透镜和硬件。
XPANCEO的一个团队与新加坡国立大学(National University of Singapore)和布拉格化学与技术大学(University of Chemistry and Technology, Prague)的科学家合作，报告了这项工作的重大进展。他们的研究集中在一种名为氯氧化钼（MoOCl_2）的层状晶体上，展示了一系列不同寻常的光学特性，这些特性可能有助于大幅缩小未来的光学器件。
相关研究结果已经在《纳米快报》(Nano Letters)杂志发表——Georgy Ermolaev, Adilet Toksumakov, Aleksandr Slavich, Anton Minnekhanov, Gleb Tselikov, Arslan Mazitov, Ivan Kruglov, Gleb Tikhonowski, Mikhail Mironov, Ilya P. Radko, Dmitriy Grudinin, Ilia Fradkin, Andrey Vyshnevyy, Zdeněk Sofer, Aleksey Arsenin, Kostya S. Novoselov, Valentyn Volkov. Giant Optical Anisotropy and Visible-Frequency Epsilon-near-Zero in Hyperbolic van der Waals MoOCl_2. Nano Letters, 2026; 26 (13): 4329 DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c06153. http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06153
该研究首次对晶体的光学行为进行了实验映射。研究结果表明，MoOCl2 展示了天然材料中迄今为止测量到的最强的光弯曲效应，可能为更小、更强大的光学技术开辟了一条道路。
一种像金属和玻璃一样的晶体
研究人员描述MoOCl_2 作为一种光学“变色龙”，它的行为会根据晶体的取向而变化。
当它朝一个方向放置时，它会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，这意味着其性质因方向而异。
该晶体的平面内双折射值约为2.2，使其能够以极高的效率分裂和弯曲光线。对于XPANCEO来说，这可以使用比人类头发细数千倍的材料来执行AR显示器所需的复杂光控制。
可见光中发现的罕见光减速效应
研究人员还发现了一种罕见的ε在512纳米（绿光）的零点附近(epsilon-near-zero point)。此时，材料的部分光学响应几乎为零。因此，光有效地减慢了速度，而晶体内部的电场变得更强。这种组合可以显著增强光和物质之间的相互作用。
对于集成光子芯片，这种效应可能特别有价值。更强的光物质相互作用可以在使用更少功率的同时实现更快的数据处理。
为什么科学家对MoOCl_2感兴趣
物理学家一直在研究MoOCl_2，由于其不同寻常的电子结构，已经有了好几年。这种材料被归类为“坏金属”，含有一维钼原子链。这些链使电子在一个方向上比在另一个方向更容易移动。因此，晶体在一个轴上表现得像金属，在垂直轴上表现为介电材料，从而产生了异常强烈的各向异性。
先前发表在《科学》(Science)和《自然-通讯》(Nature Communications)已经观察到被称为双曲等离子体激元(hyperbolic plasmon polaritons)的严格限制的光波穿过晶体。这些实验表明，MoOCl2 可以以高度定向和意想不到的方式引导光线。
然而，这个谜题的一个重要部分仍然缺失。科学家们可以观察到光学效应，但他们没有直接测量材料的全部光学常数。如果没有这些测量，基于晶体设计实用的设备仍然要困难得多。
绘制晶体的光学特性图
这项新工作提供了这些缺失的测量值。研究人员发现，在可见光谱的绿色区域，接近512纳米处，晶体光学响应的一个分量接近零。在实际应用中，这可以增强材料内部的电场并减缓光的速度，将电磁能压缩到一个非常小的体积中，并增强光与物质的相互作用。
这种现象被称为可见光ε接近零（epsilon-near-zero简称ENZ）。虽然许多材料仅在深紫外或中红外区域表现出ENZ行为，但MoOCl_2 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、显微镜、相机和传感系统，已经在这个范围内运行。
XPANCEO的创始人兼首席技术官、该研究的通讯作者Valentyn Volkov博士说：“观察现象是第一步，但工程需要精确的数字。通过严格测量MoOCl_2的完整介电张量，我们的工作为理解这种材料的行为方式以及围绕它进行设计提供了更大的信心所需的实验基础。这使得它成为该领域的一项有价值的科学成果，可能与紧凑型偏振光学、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小型化的集成系统有关。"
缩小未来光学硬件
详细的光学图还突出了该材料在光学技术进一步小型化方面的潜力。由于其强烈的结构各向异性，MoOCl2 作为一种自然的双曲线介质。简单来说，这允许光以高度定向的纳米级路径穿过晶体，而不会衍射（或散射），这是构建更小光学电路的关键要求。
它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，在集成光子芯片中，光必须在极小的空间内进行路由、过滤和集中。
研究人员指出了几种可能的应用。这些包括控制紧凑光学系统中光方向的超薄宽带偏振器，以及能够引导光穿过比传统光学所允许的空间更小的空间的亚衍射波导。
这些发现还表明了非线性纳米光子学的机会，其中强烈的光-物质相互作用可用于创造新的光颜色或更有效地处理光信号。
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