科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)新一期《自然·光子學(xué)》雜志報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)利用層狀量子材料開發(fā)出一種全新平臺(tái)，通過(guò)納米光子學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的精密調(diào)控。這一新平臺(tái)不僅使光學(xué)器件更小、更高效，還首次實(shí)現(xiàn)了光學(xué)模式的動(dòng)態(tài)切換（在不同光傳播狀態(tài)之間靈活轉(zhuǎn)變），解決了納米光子領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)難以兼顧的兩大難題。

傳統(tǒng)納米光子學(xué)主要依賴硅、氮化硅或二氧化鈦等材料，構(gòu)建波導(dǎo)、諧振腔和光子晶體等結(jié)構(gòu)，以引導(dǎo)和限制光傳播。但這些材料存在兩大局限：首先是折射率受限，這是衡量材料與光相互作用強(qiáng)度的指標(biāo)。傳統(tǒng)材料折射率較低，限制了光的強(qiáng)約束能力，也妨礙了器件的進(jìn)一步微型化。其次，這些材料一旦加工成型，其光學(xué)性質(zhì)就基本固定，無(wú)法在不改變物理結(jié)構(gòu)的情況下重新配置其光響應(yīng)特性。

為破解這些難題，團(tuán)隊(duì)引入了一種層狀量子材料——硫溴化鉻（CrSBr）。該材料兼具稀有的磁性有序性與強(qiáng)烈的光響應(yīng)。團(tuán)隊(duì)利用CrSBr的高折射率，僅用7層原子（約6納米厚）就構(gòu)建出完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，尺寸相當(dāng)于傳統(tǒng)材料的1/10左右。更重要的是，該材料對(duì)磁場(chǎng)高度敏感，僅需施加小幅磁場(chǎng)，就可持續(xù)、可逆地切換光在器件中的傳播模式，無(wú)須移動(dòng)部件或改變溫度。

此外，CrSBr內(nèi)部還能自然形成極化激子，這是一種光與物質(zhì)混合的準(zhǔn)粒子狀態(tài)，具備傳統(tǒng)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的非線性與量子光學(xué)特性。這種混合態(tài)可以帶來(lái)非線性增強(qiáng)、全新量子光傳輸機(jī)制等新奇效應(yīng)。與傳統(tǒng)系統(tǒng)需要外部腔體才能實(shí)現(xiàn)極化激子不同，CrSBr本身就能天然支持這一狀態(tài)。

目前實(shí)驗(yàn)在132開爾文（-141℃）低溫下進(jìn)行。盡管距離常溫應(yīng)用尚有距離，但該材料已具備在量子模擬、非線性光學(xué)等高精尖領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。