在微观世界里 ，光线的行为往往不再遵循我们在宏观世界中熟悉的规则。想象一下 ，如果我们可以像交通警察指挥车辆一样，在比头发丝还要细得多的尺度上精准地“分流”光波 ，将会发生什么？这听起来像是科幻小说 ，但近日，由中国和西班牙科学家组成的国际团队在《自然·光子学》上发表了一项突破性研究 ，他们不仅做到了这一点 ，还创造了纳米光操控的新纪录 。
这项技术的核心在于一种被称为“高阶双曲声子极化激元 ”（HPhPs）的特殊光-物质混合波 。简而言之，就是通过巧妙的物理机制 ，让光子与晶体中的原子振动（声子）“共舞 ” ，从而将光的能量压缩到极小的空间内。这一发现有望彻底改变未来的光子芯片设计，为超高速信息处理和高灵敏度生物传感铺平道路 。
打破动量瓶颈：两步走的精妙策略
要理解这项突破的含金量，我们需要先了解一个物理学难题：动量匹配 。
在纳米光学领域 ，极化激元（polaritons）是当红明星。它们能够突破光学衍射极限 ，将光束缚在纳米尺度 。然而，想要激发能量更强 、约束更紧密的“高阶”模式 ，就像是试图推动一个沉重的石磨 ，需要巨大的“动量 ”助推 。传统的单步激发方法就像是力气不够大的推手，往往难以企及这一高度。
为了解决这个问题 ，来自上海交通大学 、中国国家纳米科学中心以及西班牙CIC nanoGUNE和ICFO研究所的联合团队 ，设计出了一种精妙的“两级火箭 ”助推方案 。
纳米光伪双折射示意图 。通过光照天线和锐利边界的两步激发 ，可以高效地在金薄晶体层中激发高阶光物质波（双曲声子极化子）。当光波穿过精确倾斜的金边缘时 ，天线激发的基模会分离成沿不同方向传播的不同极化子阶数，从而产生强烈的伪双折射效应 ，为片上光信号路由开辟了一条新途径。图片来源：Na Chen、Hanchao Teng 和 Hai Hu
第一步 ，研究人员利用光照射一个纳米级的金天线 。这就像是第一级火箭点火，产生了一个初始的推力，在单晶金衬底上的三氧化钼（MoO3）薄片中激发出基础的“零阶”极化激元 。
第二步才是真正的神来之笔。这个初始的波向金层的边缘移动 ，那里是一个悬崖般的陡峭边界 ，晶体从此延伸到空气中 。当波撞上这个锐利的台阶时，物理奇迹发生了：边界散射提供了巨大的额外动量 ，就像火箭的第二级发动机突然启动 ，将原本平缓的波瞬间转化为了高能 、紧密的高阶声子极化激元 。
“零阶极化子在边界处的散射提供了关键的动量提升， ”该研究的主要作者之一 、雷纳·希伦布兰德教授形象地解释道 ，“这比我们以前尝试过的任何单步方法效率都要高得多。 ”
得益于这种两步法和超光滑的空气悬浮晶体结构 ，团队观测到的光波质量令人惊叹 。其品质因子高达45，且传播距离远超以往 ，这意味着信号更清晰、传输更远 ，直接击中了纳米光子学实用化的痛点 。
伪双折射：纳米尺度的光子“交通灯”
如果说产生高质量的波是第一大突破，那么如何控制它们就是第二大惊喜。在实验中 ，研究团队发现了一种被称为“伪双折射 ”的奇异现象 。
在传统光学中 ，双折射是指光线穿过某些晶体（如方解石）时会一分为二的现象 。而在这次的纳米实验中，当光波穿过金与空气的交界处时，不同“阶数 ”的极化激元（即不同模式的光波）就像被棱镜折射的彩虹一样 ，沿着完全不同的角度分道扬镳。
这并不是因为光的偏振方向改变了 ，而是不同模式的波在边界处发生了独特的折射 。戴青教授将这种效应比作纳米尺度的“交通控制器” 。他指出：“这种能够对不同阶次的光波进行分类的能力，为设计超紧凑型光子电路提供了一种全新的工具。它的强度比传统的晶体双折射效应要强十倍以上。”
这就意味着 ，科学家们可以在同一条纳米波导上 ，利用不同的波形传输多路独立的数据流，即所谓的“模式复用技术 ” 。这在提升芯片信息处理能力方面具有巨大的潜力 ，就像是在原本只有一条车道的公路上 ，突然开辟出了立体的多层高架桥 。
从实验室走向未来的芯片
这项研究的意义远不止于发表一篇高分论文。它展示了一种利用现有的材料（如金和三氧化钼）和精巧的结构设计来驾驭光的新思路 。
在未来的应用场景中，这种技术可能诞生出新型的片上光学滤波器 、波片 ，甚至是能够检测单个分子的超灵敏生物传感器 。更重要的是 ，它为光子计算和光通信提供了一种极具吸引力的解决方案。随着摩尔定律在电子芯片上逐渐逼近极限，光子芯片被视为延续算力增长的关键 。而如何在极小的尺度上高效地传输和处理光信号 ，正是光子芯片面临的最大挑战之一 。
这一中西合璧的研究成果 ，用一种优雅而高效的方式，向我们展示了纳米光学的无限可能。当光不再只是照明的工具，而是成为被精准操控的信息载体时 ，我们距离那个光速互联的未来 ，又近了一步 。
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评论列表（4条）
我是视听号的签约作者“梧桐十一”！
希望本篇文章《中国和西班牙科学家掌握纳米尺度光操控技术，创造新纪录》能对你有所帮助！
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