比传统材料薄10倍！MIT制造6纳米光学器件，改写光操控规则

纳米光子学致力于在微纳结构中操控光的传播。

传统纳米光子学长期依赖于硅、氮化硅或二氧化钛等材料。这些材料是构建光操控器件的基础，通过波导、谐振器和光子晶体等结构来实现光的传导与局域限制。其中，光子晶体作为周期性排列的人工微结构，其调控光传播的机理类似于半导体晶体对电子运动的控制作用。

尽管效果显著，这些材料仍存在两大局限。

首先是折射率限制。该参数衡量材料与光的相互作用强度，折射率越高，材料对光的“捕获”或调控能力越强，能使光路产生更急剧的偏折并显著降低其传播速度。但硅等传统纳米光子材料的折射率普遍偏低，这直接制约了光场局域化的极限水平，也阻碍了光学器件进一步微型化。

传统材料的第二大局限在于光学特性的固化性。器件结构一经制备，其光学响应便基本固定。若不进行物理结构改造，通常无法实现光学性能的显著重构。

在追求光学器件微型化和性能提升的科研竞赛中，麻省理工学院（MIT）的研究团队于近日公布了一项突破性纳米光子学平台技术。这项可在十亿分之一米尺度操控光的新技术，成功突破了现代光学的性能极限。他们成功研制出超紧凑光学器件——不仅体积微小、能效高，还能按需在不同光模式间灵活切换。相关研究已发表于Nature Photonics期刊。

“这项研究标志着纳米光子器件向紧凑高效、可编程自适应迈出了关键一步，”该项目负责人、麻省理工学院副教授 Riccardo Comin 表示，“新型量子材料与传统纳米光子结构的结合，必将推动两个领域的共同进步。”

研究团队核心成员包括：物理学博士生 Ahmet Kemal Demir、现任职米兰理工大学的博士后 Luca Nessi（原MIT博士后）、RLE 博士后 Sachin Vaidya、现哥伦比亚大学博士后 Connor A. Occhialini 博士（2024 届），以及 MIT 讲席教授 Marin Soljačić。Demir 与 Nessi 为论文共同第一作者。

这项技术的和新突破在于硫化溴化铬（CrSBr）这一量子材料。这种层状量子材料罕见地兼具磁序性和强光学响应特性，其独特光学性能的核心在于激子。当材料吸收光子后，受激电子与带正电的“空穴”通过静电束缚形成的中性准粒子。这种准粒子能与光产生强相互作用。

在 CrSBr 中，激子不仅主导光学响应，还对磁场高度敏感，这意味着可通过外部调控手段操纵其行为。正是这些激子使 CrSBr 展现出异常高的折射率，研究人员得以将其加工成光子晶体等光学结构，其厚度可比传统材料器件薄一个数量级。“我们能制造仅 6 纳米厚的光学结构，相当于 7 层原子堆叠的厚度，”Demir 介绍道。

更具突破性的是，MIT 团队通过施加适度磁场，首次实现了光学模式的连续可逆切换。换言之，他们能在不依赖机械运动或温度变化的情况下，动态调控光在纳米结构中的传播特性。“这种调控能力源于材料折射率的巨磁致偏移，其幅度远超传统光子材料，”Demir 表示。

事实上，CrSBr 中光与激子的相互作用如此之强，竟能形成兼具光与物质特性的极化激元。这种混合粒子衍生出全新光子行为，如增强的非线性效应和量子光传输新机制。与传统系统不同，CrSBr 无需外置光学腔即可本征支持极化激元。

虽然当前实验采用独立 CrSBr 薄片，但该材料可集成至现有光子平台（如集成光子电路），这使得 CrSBr 能作为可调谐功能层，立即应用于实际器件开发。

此外，当前的成果在 132 开尔文（-222 华氏度）的低温环境下取得。尽管未达室温，但在量子模拟、非线性光学和可重构极化激元平台等前沿领域，CrSBr 无可比拟的可调性足以抵消低温操作的代价

“CrSBr 的独特性使其即便在低温环境下也极具应用价值，”Demir 表示。团队同时正在探索具有更高磁有序温度的类似材料，以期在更易实现的条件下获得同等功能。

https://news.mit.edu/2025/ultrasmall-optical-devices-rewrite-rules-light-manipulation-0801