操控光就像操控电子，中国科学家纳米控光登上顶刊，瞄准下一代光芯片底层架构

随着摩尔定律逐渐逼近极限，传统电子算力面临严峻挑战，世界正站在下一次极具颠覆性的“光子革命”门槛上。事实上，这为我国实现科创路径跃迁、抢占未来产业制高点提供了战略机遇。

然而，与电子相比，光虽然速度更快、容量更大，却始终面临一个根本难题——难以在微观尺度上被精细操控。这一瓶颈，长期制约着光子技术向芯片级集成和大规模应用迈进。

论文信息

北京时间4月23日，国际顶尖学术期刊《自然·材料综述》（Nature Reviews Materials）发表了上海交通大学戴庆教授与国家纳米科学中心胡海研究员等最新成果。这些中国科学家系统提出一种新的控光思路：通过材料的原子级设计，把光“压缩”到纳米甚至更小尺度，从而实现对光的精准调控。这条新开辟的纳米控光路径，瞄准了下一代光子芯片底层架构。

研究团队在实验室

设计材料压缩光，让光“按需传播”

该成果以《双曲介质中极化激元的传输》为题发表。研究团队所依托的，正是一种被称为“极化激元”的特殊光学形态，它可以理解为光与物质微观电荷耦合后形成的一种新型波动形式。

当光进入特定材料后，会与其中的电荷发生相互作用，形成一种被大幅压缩的波动形态。相比传统光波，这种“压缩后的光”尺度更小，也更容易被操控。戴庆、胡海认为，这一机制使光首次具备了在纳米尺度上被精细引导和调制的可能。

有了从“宏观波动”到“纳米尺度”的基础，这项研究进一步表明，可以通过设计材料的原子结构，直接调控光的行为。相关材料的层数、排列方式以及界面结构，都会成为控制光传播路径和方式的关键因素。

这意味着，材料本身不再只是光的“承载体”，而成为调控光的“控制器”。在这种体系中，光可以“按需传播”，沿特定方向传播而不发散，在界面上产生反常折射，甚至在极小尺度实现强聚焦。一系列过去难以实现的光学现象，正在转变为可以设计和利用的功能。

网页截图

控光能力跨界赋能，从化学到IT

这种对光的精细操控能力，正在向多个学科领域延伸。比如在化学领域，光有望从传统的“观测工具”，转变为直接参与反应过程的“作用工具”。通过在纳米尺度上调控光场分布，未来有望影响分子反应路径，实现更精细的化学反应控制。

而在信息技术领域，这种控光能力的意义更加突出。随着人工智能快速发展，算力系统正面临新的瓶颈——芯片之间的数据传输速度，成了限制整体性能的“天花板”。传统的电互联在功耗与带宽上已接近极限，而光互联被认为是关键突破方向。

研究团队认为，在这一背景下，基于极化激元的器件，因其尺寸更小、响应更快，有望支撑更高密度、更低功耗的信息处理方式，为下一代算力体系提供关键基础。

综述中的双曲极化激元跨学科基础与应用全景图

走向器件，极化激元晶体管初现锋芒

在微观尺度“用原子操控光”，不仅仅是物理学层面的重要突破，更是在逼近新一代智能计算底座的关键技术环节。

当前，无论是传统的硅基平台，还是被寄予厚望的薄膜铌酸锂等技术路线，都面临一个难以逾越的瓶颈：由于器件难以进一步微缩，在寸土寸金的芯片上难以实现超高密度集成。这就如同拥有了速度极快的列车，却无法铺设足够密集的轨道网络，最终制约了整体系统能力的提升。

而中国团队的这项研究，为突破这一尺寸与性能“双重约束”提供了关键路径。正如电子芯片的算力基石是晶体管，研究团队基于极化激元对光场的极限压缩能力，在底层探索出了“极化激元晶体管”的基本原理。

这种新型微型器件，有望在深亚波长的尺度下，实现对光信号的超快、低功耗调制。业内普遍认为，这一核心器件的突破，为下一代信息处理架构提供了关键硬件基础。

更重要的是，这一底层能力的打通，使一条清晰的产业化路径逐渐显现：以极化激元微型器件为起点，向上延伸至高速光互联模块，进而支撑面向人工智能的光子芯片架构。这一路线不仅有望突破传统集成光子的物理极限，也为我国在新一代算力技术竞争中赢得主动提供了重要支撑。

戴庆、胡海团队

面向未来，光子技术孕育底层新架构

根据综述文章勾勒的一条贯穿物理、材料、化学与信息科学的交叉演进路线，从电子信息走向光子信息，不仅是技术路径的延伸，也可能重塑未来计算体系的底层架构。

这一国际论文以戴庆为通讯作者，胡海研究员等为共同第一作者。两人表示，谁能在“如何更高效地操控光”以及“如何实现光子器件规模化集成”这两个关键问题上率先突破，谁就有望在下一代信息技术竞争中占据先机。

解放日报·上观新闻记者了解到，《自然·材料综述》多为约稿制，其影响因子甚至高于正刊。该综述在同行评审阶段赢得国际评审专家的一致高度评价。他们认为，该工作“经过深思熟虑且具有重要影响力”，在系统梳理前沿进展同时，为相关领域研究与产业发展提供了重要参考。

其中第一位审稿人认为，“本文对双曲极化激元展开了全面且极具时效性的综述，内容涵盖其基本原理、材料体系、拓扑相变、反常输运现象以及多学科应用，在深度与广度之间实现了极佳平衡。”

原标题：《操控光就像操控电子，中国科学家纳米控光登上顶刊，瞄准下一代光芯片底层架构》

本文作者：解放日报 徐瑞哲

图片来源：受访单位