北理工团队在Nature Nanotechnology发表综述论文

近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授、李家方教授、段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授团队合作，受主编Alberto Moscatelli博士邀请，在《自然》子刊Nature Nanotechnology上发表综述论文，预言了各向异性材料中可能存在的新奇光学现象，总结了纳米尺度上光场能量传播调控策略及其在纳米光子学器件中的应用前景，展望了强各向异性材料走向实际器件应用所面临的关键问题。

极化激元是一种光与物质中偶极振荡强耦合形成的特殊电磁模式，具有半光半物质属性。近年来多项研究工作表明极化激元为纳米尺度光场能量操控提供了有效途径。值得指出的是，强各向异性材料中极化激元的传播行为（折射、反射、干涉等）往往违背各向同性材料中的传统光学定律（如斯涅尔折射定律和反射定律等），表现出许多反常的光学现象。理解这些现象有望在纳米尺度上实现前所未有的光场调控能力，解决集成光子学中器件小型化与性能损耗之间的矛盾，开启全新的光与物质相互作用物理图景。

内容1：强各向异性极化激元新奇光学现象及其物理机制揭示

研究表明各向异性材料中极化激元的折射与反射行为异于传统认知，挑战了传统的斯涅尔折射定律和反射定律。例如“负折射”现象（即折射能流与入射能流位于界面法线的同一侧）、“无弯曲折射”现象（极化激元波穿越界面时方向几乎不变）等。在反射方面，除了常规的镜面反射，在双曲材料中还存在“负反射”和特定入射角下的“无反射”现象。在干涉聚焦方面，线性色散极化激元可实现中红外光场的纳米聚焦，突破衍射极限。产生这些现象的根本原因在于各向异性材料中极化激元波矢随晶体方向变化，且波矢与波印廷矢量（能流方向）非共线。

图1 强各向异性材料中极化激元的反常折射现象

图2 强各向异性材料中极化激元的反常反射现象

图3 强各向异性材料中极化激元的纳米聚焦现象

内容2：强各向异性极化激元调控策略

论文总结了针对这些奇异极化激元的操控手段，例如通过改变材料厚度、纳米结构、原子插层或同位素富集来调控材料本征光学响应；制备范德瓦尔斯叠层结构并控制其层间扭转角（转角光子学）实现极化激元光学拓扑性质调控；通过改变局域介电环境、外加物理场、改变温度或通过光学激励等手段实现极化激元光电物性的动态调控等。

内容3：强各向异性极化激元面向未来纳米光子学的应用前景与挑战

基于上述新奇光学现象与调控手段，论文展望了极化激元在多个领域的变革性应用潜力，例如在纳米波导和能量传输方面，极化激元渠道化传播为实现低损耗片上光互联和纳米尺度高效热管理提供了新途径。再比如，在光场局域方面，双曲极化激元高动量模式能将光场压缩至极小体积，极大增强光与物质相互作用，为高灵敏度红外分子传感、探测和强耦合研究提供了理想平台。尽管前景广阔，论文也指出极化激元领域在多功能纳米光学器件设计（如路由器、逻辑门、偏振器等）、克服高传播损耗、以及利用人工智能进行逆向设计等方面仍面临严峻挑战，是未来极化激元器件走向实际应用必须攻克的难题。

图4 强各向异性极化激元的应用前景

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02039-3