近日，中國科學院新疆理化技術研究所研究員潘世烈團隊首次在Hg基硫鹵化物體系中構筑了線性[Hg3Se2]多核簇結構單元，該單元沿特定晶向高度有序排列，形成類鱗英石拓撲骨架。不同于傳統四面體或鏈狀硫屬化物結構，該線性簇在晶體中表現出顯著的取向一致性，為實現強光學各向異性提供了全新的結構設計思路。相關研究成果發表于《自然-通訊》。
據悉，中遠紅外雙折射晶體是偏振調控、激光技術和紅外光子學中的關鍵功能材料，但現有材料普遍面臨紅外透明范圍有限、雙折射與透明窗口難以兼顧以及晶體尺寸受限導致表征困難等問題。Hg基硫屬化物由于重元素組成和獨特的配位結構，被認為是實現高雙折射與寬紅外透明窗口的潛在體系，但其結構設計與性能機理仍缺乏系統認識。
對此，研究團隊通過構筑含線性[Hg3Se2]單元的新型Hg基硫鹵化物Hg18Ga8Se8Cl32，系統研究了其晶體結構、光學性質及熱響應行為，并結合實驗與理論揭示了超寬紅外透明與巨大雙折射協同實現的結構起源。同時提出了一種適用于小尺寸晶體的紅外雙折射測量策略，為新型中遠紅外雙折射材料的設計與表征提供了新思路。
所獲得的Hg18Ga8Se8Cl32單晶同時具備0.4-25 μm的超寬紅外透明窗口，覆蓋中遠紅外關鍵大氣窗口，以及在546.1 nm處高達0.871的巨大雙折射，在3.5 μm處仍保持0.453的高雙折射值。該性能組合在已報道的Hg基硫屬化物及紅外雙折射晶體中處于領先水平，突破了紅外透明窗口與大雙折射難以兼顧的傳統限制。
而針對新型紅外晶體普遍僅能獲得毫米級尺寸、難以采用傳統中紅外雙折射測試方法的難題，研究團隊提出并驗證了一種基于偏振態調制與相位延遲分析的紅外雙折射測量方法。該方法通過精確分析兩正交偏振分量之間的相位差，實現了小尺寸晶體在近紅外至中紅外波段雙折射定量表征。
結合變溫單晶XRD、原位拉曼光譜與第一性原理計算，系統揭示了Hg18Ga8Se8Cl32中顯著光學性能的微觀起源。實驗與理論一致表明，線性[Hg3Se2]單元具有目前已知雙折射活性結構單元中最高的極化率各向異性（δ ≈ 430），其高度取向排列顯著放大了整體晶體的雙折射效應；同時，電子-聲子耦合主導的動態晶格畸變機制解釋了材料的可逆熱致變色行為。
相關論文信息：Https://doi.org/10.1038/s41467-025-66148-2