新策略实现宽频带纳米光场精准操控

如何实现光在纳米甚至原子尺度上的精准操控与高效传播，一直是科学研究的前沿问题。近日，来自上海交通大学、国家纳米科学中心、东北师范大学与香港大学的联合研究团队，提出了一种名为“声子工程”的新策略，首次实现了超宽频带、几乎无衍射的极化激元定向传播。相关研究成果15日发表于《自然·纳米技术》杂志。

所谓极化激元，是一种由光与物质强烈相互作用形成的准粒子。它能让光被压缩到极小的尺度进行传播，突破了传统光学中“光无法聚焦得比其波长更小”的衍射极限。这一特性使得极化激元在开发超小型、超高速光子芯片中具有不可替代的价值。

声子工程调制产生双曲渐近线极化激元与空间分布示意图。受访者供图

然而，要将这一潜力转化为现实，首先必须解决一个核心难题：如何对极化激元进行高效且灵活的控制。目前，该操控过程面临两大技术瓶颈。论文共同通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉记者：“首先是需要非常精确的‘动量匹配’，就像两列火车要完美同步才能对接；其次是材料衍射传输损耗大，信号容易‘掉链子’。”

研究团队独辟蹊径，提出“声子工程”策略，不再依赖传统复杂的材料界面或结构改造，而是巧妙地利用某些晶体中特有的“原子层状振动”，也就是声子各向异性，像调音一样精细调节材料内部的振动模式，从而控制极化激元的行为。

更令人振奋的是，通过精准调控各向异性声子振动，进一步实现了半导体材料中极化激元在带宽、无衍射、零相位以及高定向传输等关键特性上的全面调控。“这就相当于给纳米光路装上了方向盘、油门和刹车，想让它怎么走就怎么走，而且几乎没有衍射损耗。”戴庆解释。

“我们不再是被动地寻找满足动量匹配的体系，而是主动‘设计’出理想状态。”论文共同通讯作者、上海交通大学副教授郭相东说，“这为制造超紧凑、高性能的光子电路打开了一扇全新的大门，也为纳米光子学与集成光电子学的未来发展注入强大动力。”

“‘声子工程’调控策略不仅解决了极化激元控制中的关键技术瓶颈，还具有较强的通用性和灵活性。”戴庆说，借助该技术，未来有望在指甲盖大小芯片上集成强大的光子电路，推动信息技术向更高速、更低功耗、更高密度方向发展。