诺奖得主最新发现！Nature子刊：智能隐形眼镜催生人工生化时代？

前 言

绝对令人难以置信的是，随着科学家的不懈努力，未来的隐形眼镜可能将成为一项革命性的技术。

近期，《自然-通讯》杂志刊登了一篇重要论文，由一位2010年诺贝尔物理学奖得主领导的团队发表。以上成果发题为“Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials”研究论文。他们发现了两种类似石墨烯的新材料，具有二维结构，并能够通过调整光的波长改变光的方向。这一发现意味着这些材料具有独特的光学特性，可能会对我们的科技世界产生深远影响。

这两种新材料，二硒化铼（ReSe2）和二硫化铼（ReS2），被发现具有非常独特的光学特性，其光学轴可以在不同方向移动，甚至对于某些成分可以旋转超过90度。这为光学操纵提供了全新的可能性，可能在医学、人工智能和增强现实等多个领域发挥作用。

团队中的Kostya S. Novoselov（康斯坦丁·诺沃肖洛夫）教授对此兴奋不已，认为这是一项突破性的发现，具有巨大的潜力。他们正在与阿联酋的XPANCEO公司合作，旨在开发下一代计算机接口，创造能够增强人类色彩感知并扩展现实的智能隐形眼镜。 这些材料的应用前景十分广阔。首先，它们可能成为开发拉曼光谱生化传感器的关键，从而实现更高效、更经济的早期疾病诊断。其次，将这些材料集成到光子电路中，可能会极大地增强光子电路的功能，为先进的人工智能计算机铺平道路。 XPANCEO公司最近展示了几款智能隐形眼镜的原型，包括全息镜片、集成生物传感器的镜片和基于准二维金箔的透明柔性导体。这些创新令人振奋，但智能隐形眼镜是否能够实现其宏伟目标，尚待时间验证。

虽然这种未来看起来遥不可及，但我们不应低估科学家们的努力和创造力。就像火箭重复使用、手机连接星链卫星、ChatGPT理解人类语言等技术一样，未来可能会带来更多不可思议的突破。因此，让我们期待并解读这篇论文！！

研究背景

由于材料科学和纳米光子学领域的不断发展，科学家们对具有各向异性介电性质的材料平台产生了极大的兴趣。这种各向异性的产生源于对称性的降低，导致了各种非凡的光学效应的出现。其中，主光轴是这些效应的关键特征，定义了光与物质的相互作用。然而，在过去的研究中，人们通常假设主光轴是固定不动的。近年来，随着对材料结构的更深入探索，发现了一些低对称的晶体结构，如范德瓦尔斯硫化铼和硒化铼，其主光轴在空间波长域中呈现出漫游的现象。这一发现引起了科学家们的极大兴趣。在这些低对称晶体中，主光轴的漫游给光的传播方向带来了波长可切换的特性，这为其波导模式的应用提供了新的可能性。然而，对于这种漫游主光轴现象的物理起源还存在许多未解之谜。

为了解决这一问题，英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院Kostya S. Novoselov教授等人采用了多激子现象学模型和从头计算的方法，成功解释了漫游主光轴的形成机制。特别是，由于晶体结构的特殊性质，这些晶体的介电张量的主光轴在波长变化时会发生漫游。这一发现对于理解这类低对称范德瓦尔斯晶体的光学性质具有重要意义。除了理论研究，科学家们还通过近场纳米成像等实验手段验证了这一现象，并揭示了这些晶体在光与物质相互作用方面的高波长灵敏度。这为利用这些材料进行先进的光路由提供了新的思路。可以看到，研究人员在理论和实验方面取得了重要进展，为探索和利用低对称范德瓦尔斯晶体的各向异性现象和纳米光子学应用提供了新的平台和可能性。

图文导读

为了研究ReS2和ReSe2的光学性质，研究人员进行了一系列实验，这两种材料具有最低对称的三斜晶体结构。如图1a–c所示，这些实验表明这两种材料在非共线激子的影响下表现出高线性和非线性光学各向异性。值得注意的是，激子的极化之间的角度约为70°，而不是预期的90°，这是由于1 T结构的Peierls畸变引起的。该畸变导致了主光轴的漫游，从而产生了非平凡的光学响应，例如非正交的自混合极化子。图1展示了ReS2和ReSe2的晶体结构，其中a和b分别沿c轴和a轴的方向。

图1c呈现了晶胞的三维视图，其中α、β和γ是三斜晶体的晶体学角度。在图1d和e中，通过示意图展示了介电张量的埃尔米特部分和反埃尔米特部分的漫游主光轴。这两个部分分别负责极化和损耗，根据Onsager定理，介电张量是对称的。然而，值得注意的是，埃尔米特和反埃尔米特张量的对角化基底可能随波长变化，导致波长分散的主光学轴。这种现象解释了早期研究中对ReS2光学性质的观察。

图1. 三斜晶体中波长色散主光轴的概念图

图2展示了这项研究的关键内容。首先，通过制备ReS2和ReSe2样品（图2a、b），并测量了围绕激子共振的偏振透射率（图2c），作者展示了主光学轴随着激子共振而改变的现象。为了捕捉其波长依赖性，图2d-e展示了ReS2的偏振光谱，同时附录注释2展示了ReSe2的光谱。实验结果表明，在某些偏振下，激子光谱的谷消失，揭示了激子的取向。

此外，图2e和附录注释2展示了漫游的主光学轴，即主光学轴随着波长的变化而漂移。对于ReS2而言，主光学轴在550和650 nm处相对于b轴的倾斜分别为3°和2°，与其他实验结果吻合。拉曼光谱的研究进一步验证了主光学轴漫游的影响。通过现象学的双激子模型，作者成功地描述了ReS2和ReSe2主光学轴行为，实验结果与模型的一致性证实了激子在这一现象中的重要性。

图2. 三斜ReS2 中游离（波长色散）主光轴的观测结果

在图3中展示ReS2和ReSe2主光学轴的漫游效应对光的有效操纵。首先图3a展示了在透射模式下使用散射扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的实验配置。为了消除边缘效应对近场图像的影响，他们在ReSe2样品内创建了一个圆形孔。通过s-SNOM测量，在不同波长下，作者观察到了波导模式的椭圆形光传播（图3b-d）。这些椭圆随着波长的变化而旋转，表明主光学轴的漫游性质。图3e-g显示了主轴相对于入射偏振方向的角度依赖关系，进一步验证了主光学轴随波长变化而改变的现象。这些观察结果表明，漫游主光学轴为在光学中实现波长可切换的光学提供了新的可能性，无需额外的结构和工程设计。

图3. 三斜ReSe2 中游离（波长色散）主光轴的实空间纳米成像

图4展示了这些计算的关键结果。首先图4a和g显示了介电张量的厄米部分和斜厄米部分，这些张量元素是非零的，而且张量在正交基上不可对角化。作者进一步将这些部分进行了分解并分别对角化，得到了对角化后的张量（图4b和d），这些对角化的基底与主光学轴重合。图4c-f和i-l展示了在这些对角化张量中主光学轴的变化情况，结果与实验发现（见图2）一致，进一步验证了ReS2和ReSe2中主光学轴的波长漫游效应。此外，介电张量主光学轴的非直接方向还导致了与全局z轴的倾斜等频表面，这可能引发一系列有趣的传输现象。总的来说，这些计算结果为我们更深入地理解ReS2和ReSe2的光学性能提供了重要的见解，为光学工程提供了更大的灵活性和潜力。

图4. 块状ReS2 介电张量的第一原理计算

结论与展望

本文揭示了三斜vdW材料中漫游主光学轴的存在并阐明了其对光学性质的影响。这一发现启示了我们对材料光学特性的理解必须考虑到晶体结构的对称性，而不仅仅局限于介电张量的数值。此外，漫游主光学轴为纳米光子学和元器件设计提供了全新的自由度，为开发波长可调的超材料、超表面和波导等提供了重要的理论和实验基础。这一研究为探索更多具有低对称性结构的材料的光学性质开辟了新的方向，有望推动纳米光子学和材料科学领域的发展。

文献信息

Ermolaev, G.A., Voronin, K.V., Toksumakov, A.N. et al. Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials. Nat Commun 15, 1552 (2024).