Nature Reviews Materials刊发上海交大戴庆团队综述：从“原子制造光学态”到双曲极化激元跨学科路线图

导语

如果说半导体技术改变世界的关键，在于人们学会了以原子级精度调控电子，那么，未来纳米光子学的重要方向之一，或许正在于：以原子级结构设计来调控光。

近日，上海交通大学戴庆教授联合国家纳米科学中心胡海研究员等，在Nature Reviews Materials发表综述文章，系统总结了双曲介质中极化激元的反常传输机制，并提出“原子制造光学态”的研究理念，为该领域从基础物理走向器件应用和跨学科融合提供了整体性框架。 

正文

光的波长通常远大于分子和原子的尺寸，这种天然存在的尺度失配，使人们难以在极小尺度上精准操控光与物质的相互作用。围绕这一核心问题，研究团队提出：如果能够像半导体中调控电子那样，以原子级精度设计材料的介电张量、层间耦合、晶体对称性和堆垛结构，就有可能按需塑造极化激元的传播方式、局域特性和能量分布，实现对光场前所未有的精细控制。 

在这篇综述中，作者系统建立了一个从0维到3维的极化激元物理图景：在0维纳腔中，极化激元可以实现极强空间压缩；在1维波导中，能够实现无截止的定向传输；在3维晶体中，则出现剪切模式和幽灵拓扑模式等特殊行为。换言之，不同维度、不同结构中的原子级差异，不再只是材料细节，而正在成为决定光学态和传输行为的核心变量。 

文章进一步系统梳理了双曲极化激元中一系列引人关注的反常传输现象，包括无弯曲折射、面内与面外负折射、类双折射以及无衍射定向渠化等，并总结了驱动等频色散拓扑转变的多种主动调控方式。结合极化激元超晶体，作者还讨论了基于布洛赫模式定制和边界态拓扑保护的波前工程，显示出极化激元从“材料响应”迈向“可编程功能”的发展趋势。 

这篇综述的重要价值，不仅在于对双曲极化激元研究进展作出系统归纳，更在于它试图回答一个更大的问题：当光场被压缩到接近原子和化学键的尺度后，光还能做什么？

作者认为，这一问题正推动极化激元研究不断跨出传统光学边界，进入材料科学、化学和信息科学等更广阔的交叉地带。 

例如在化学方向，当光场尺度接近分子键长时，光的作用可能不再只是“看见”分子，而有望进一步影响分子所处的局域电磁环境、真空涨落和势能面，从而参与调控量子跃迁和反应路径。这意味着，极化激元有望推动研究从“分子探测”进一步迈向“分子调控”。 

在信息科学方向，双曲极化激元则展现出作为下一代片上光信息处理平台的潜力。由于其能够在深亚波长尺度内实现极强光场局域，并保持对外部激励的高度敏感，因此有望支撑纳米激光器、电光调制器等关键器件的发展，为高密度、低功耗、高速度的片上光子互连提供新的技术基础。 

文章同时指出，该领域未来仍面临复杂低对称体系量子模型构建、大面积高保真异质集成以及器件稳定制造等挑战。但也正因如此，“原子制造光学态”所代表的研究思路，正在为极化激元从基础波动力学走向实用器件和跨学科应用打开新的空间。 

4月22日，该综述以“Transport of polaritons in hyperbolic media”为题在线发表于Nature Reviews Materials。上海交通大学戴庆教授为论文唯一通讯作者，国家纳米科学中心胡海研究员、上海交通大学材料学院博士后滕汉超、国家纳米科学中心博士后陈娜和博士生薛卓昕为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目资助。https://www.nature.com/articles/s41578-026-00907-5

双曲极化激元跨学科基础与应用全景图。图示系统描绘了该领域从基础科学突破走向前沿技术转化的宏大路线：以材料科学中的“原子制造光学态”与能带工程为起点，结合物理学中的极度局域波动力学与量子态探针；进一步向右延伸至化学领域，实现从单纳米尺度分子指纹感知到“用光创制分子”的范式跨越；最终在信息科学中，落地于片上光源集成、超高速调制与极化激元计算器件，展现其赋能全光算力硬件底座的颠覆性潜力。