近日，中國科學院外籍院士張翔團隊攜手武漢大學教授劉曉澤團隊、華南師范大學副研究員陳祖信團隊等，在天然二維磁性半導體CrSBr領域取得重大突破。團隊首次實驗觀測到由材料磁序介導的激子負折射現象，并依據此原理成功研制出可集成于芯片上的微型“激子超透鏡”。相關成果發表于《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）。論文共同第一作者為香港大學馬靜文研究助理教授與王雄博士后。
磁序介導的激子負折射概念與器件。研究團隊供圖
論文共同通訊作者張翔院士指出，該研究構建了利用磁序操控納米光傳播的全新范式，為開發新一代磁光器件、片上超分辨成像系統以及光-磁量子接口筑牢了關鍵根基。該成果有望直接推動緊湊可調磁光調制器、片上超分辨成像、光-磁量子接口等下一代器件的研發進程，為集成光子學與量子信息技術提供關鍵材料與物理支撐。
負折射作為實現超分辨成像、電磁波隱身等前沿應用的核心物理基礎之一，此前其實現主要依賴金屬納米結構的等離激元共振，或是極性晶體中的聲子極化激元。激子作為半導體中電子-空穴對的復合體，雖在光吸收與發射過程中占據主導地位，但其在操控光傳播（尤其是實現負折射）方面的潛力，長期未能得到實驗驗證。理論上，二維材料中的強激子共振可形成獨特的“雙曲”色散，為實現激子負折射提供了可能，然而其實驗實現與調控一直面臨重重挑戰。
在國家自然科學基金等項目資助下，研究團隊以范德華層狀磁體CrSBr為研究平臺。這種材料在低溫下呈現出層內鐵磁、層間反鐵磁的獨特序構，且其強各向異性激子共振與磁序緊密耦合。研究發現，在磁有序相狀態下，磁序會顯著增強CrSBr沿特定晶軸方向的激子共振，致使該方向介電常數實部為負，進而形成支持負折射的“雙曲”光學等頻面。為直觀觀測這一現象，團隊將CrSBr薄片與精密設計的片上納米光子回路集成，通過波導引導光至材料邊界，最終在遠場直接捕捉到出射光與入射光分居法線兩側的負折射圖像。
基于這一效應，團隊進一步成功構建出“激子超透鏡”器件。通過調控材料本身波長依賴的負折射行為來操控入射光的波前，成功將發散光束會聚至衍射極限尺寸的焦點，實現了微納尺度的片上光場操控。尤為關鍵的是，該負折射及聚焦功能呈現出鮮明的“磁控”開關特性：當溫度升高使材料轉入順磁相時，光學功能隨即關閉。這一磁序依賴的調控維度，超越了傳統等離激元或聲子激元體系，為發展動態可重構的納米光子器件開辟了全新思路。
該研究首次在二維磁性半導體中實現了磁序介導的激子負折射與超透鏡，達成了激子物理、磁學與納米光子學的深度交叉融合。它不僅證實了激子作為光子操控新維度的巨大潛力，更開辟了利用磁序這一外場自由度動態調控光傳播的嶄新路徑。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02118-5