傳媒

想像一束光射入某種特殊材料後，並非筆直穿過，而是像遇到一面看不見的「反彈牆」，突然向反方向彎折。這種被稱為「負折射」的奇妙現象，以往僅能透過複雜的人工超材料實現。如今，香港大學（港大）校長兼工程學及物理學系講座教授張翔院士領導的研究團隊，聯合武漢大學劉曉澤教授、華南師範大學陳祖信副研究員等合作者，在一种名為CrSBr的天然磁性半導體中取得了原創性突破。團隊首次在實驗中觀測到由材料內部磁序直接調控產生的「激子負折射」效應，並基於此原理，成功研製出可集成在晶片上的微型「激子超透鏡」。

當光學懂得「急轉彎」

這項研究不僅是一項基礎科學突破，更建立了 「利用磁序操控納米光」的全新技術範式。它為開發新一代磁光器件、片上超解像成像系統以及未來光-磁量子介面奠定了關鍵基礎，展現出巨大的產業應用前景。研究成果已發表於頂級期刊《自然·納米技術》。論文共同第一作者為港大馬靜文研究助理教授與王雄博士後；共同通訊作者為張翔院士、劉曉澤教授與陳祖信副研究員。港大光量子物質全國重點實驗室崔曉冬教授、尹曉波教授、張霜教授亦對該研究給予了重要指導。

追尋更精巧的光控技術

負折射是實現超解像成像（如看清更微觀的細胞結構）和電磁波隱身等前沿應用的核心物理原理之一。過去，實現負折射主要依靠兩類材料：一是金屬納米結構，二是特定極性晶體。兩者各有局限，且難以動態調控。

半導體中的「激子」（可理解為光激發產生的電子-空穴對「搬運工」團隊），本是材料發光和吸光的核心角色。理論上，二維材料中強大的激子共振可以形成特殊的「雙曲」色散關係，為實現一種全新的、基於激子的負折射提供了可能。然而，如何在實際材料中實現並精確調控它，一直是科學界懸而未決的挑戰。

創新突破：磁與光的交響

研究團隊選擇了范德華層狀磁性材料CrSBr作為突破口。該材料在低溫下具有獨特的磁性序構：層內是鐵磁排列，層間則是反鐵磁排列。關鍵之處在於，其強烈的、方向各異的激子共振與材料本身的磁序緊密耦合在一起。團隊發現，當材料處於磁有序狀態時，其磁序會顯著增強沿着某個特定晶體方向的激子共振強度。這直接導致該方向上的材料光學響應發生質變——介電常數實部轉為負值，從而形成了支持負折射的「雙曲型」光學等頻面。

為了直觀「看見」這一現象，團隊將CrSBr薄片與精密設計的片上納米光子迴路集成。他們通過光波導將光引導至材料邊界，直接捕獲到了出射光與入射光位於法線同側的清晰圖像，這便是負折射的直接證據。

基於這一獨特效應，團隊進一步構建了「激子超透鏡」原型器件。通過設計入射光的波前，利用材料本身隨波長變化的負折射行為，成功將發散的光束匯聚到尺寸接近繞射極限的微小焦點上，實現了在晶片上對光場的納米級精密操控。

尤為引人注目的是，該器件的負折射與聚焦功能展現出鮮明的 「磁控」開關特性：當溫度升高，材料從磁有序相轉變為順磁相時，光學功能隨即「關閉」。這種通過磁序（可通過溫度、磁場調控）來動態操縱光的能力，超越了傳統體系，為研發動態可重構的納米光子器件提供了革命性的新思路。

總結與展望

本研究深度融合激子物理、磁學與納米光子學三個前沿領域，不僅證實了激子可作為操控光子的一種強大新維度，更開闢了利用材料內在磁序這一自由度來動態調控光傳播的全新路徑。此項基礎突破所衍生的負折射超透鏡技術，是實現下一代超解像成像、納米光刻、高密度光存儲及集成光路系統的關鍵核心。研究為發展「緊湊可調磁光調製器」與「片上超解像顯微鏡」等未來器件提供了原理支撐，可直接賦能粵港澳大灣區強大的電子信息、精密製造及生物醫藥產業，例如推動開發更先進的晶片檢測設備或突破性的醫療診斷儀器。同時，本研究開闢的「光-磁量子介面」新路徑，構成了量子計算與量子通信等戰略科技的重要環節，體現了光量子物質全國重點實驗室對大灣區量子科技發展的有力支持。

鳴謝

該項研究獲香港研究資助局（N_HKU750/22, 17208725）、國家自然科學基金（62261160386, 62104073）等多個項目資助。研究團隊感謝加州大學聖地亞哥分校劉照偉教授、中山大學董建文教授、上海交通大學郭相東教授的有益討論，以及港大相關團隊在納米加工方面提供的支持。

文章連結

Jingwen Ma, Xiong Wang, Yuanhao Gong, et al. “Excitonic negative refraction mediated by magnetic orders.” Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02118-5

傳媒查詢，請聯絡:
香港大學工程學院
鍾敏芝女士（電話：3910 3324；電郵：chungmc@hku.hk）
袁可盈女士（電話：3917 1924；電郵：natyuen@hku.hk）