化学家逮住长途奔袭的光与物质混合粒子

要拍摄一只每秒扇动翅膀多达200次的蜂鸟飞行时的清晰图像，摄影师需要一台快门速度极快的相机。但如果你的目标比一条染色体还小，并且能以接近光速的速度移动呢？传统相机无论多么先进，都受到光的本质的限制。你需要一种特殊设备和新颖的方法来拍摄如此微小而快速的物体。

在发表在《自然·通讯》上的一项研究中，芝加哥大学的化学家们设计出了这样一台超快“相机”。他们用它捕捉到了极化激元——由光和物质共同构成的准粒子——穿过一种可以引导其运动方向的特殊晶体。

研究人员观察到极化激元长距离传播，飞速穿过一片晶体薄片——该薄片提供了准粒子的物质部分——而没有像预期那样迅速损失能量或衰减。

“通常情况下，光与物质的相互作用与方向无关，在任何方向上都是一样的。但如果情况不再如此会怎样？”该研究的合著者、化学助理教授莎拉·金说，“直接观察极化激元在纳米尺度上单向运动，可以帮助我们理解如何控制光与物质的相互作用。”

该团队的结果表明，他们所用的这种晶体非常适合光子技术，例如量子计算中使用光代替电的计算机芯片。这些结果也为理解光与物质之间的相互作用提供了洞见。

开创新可能

开发先进光基技术的一个挑战，是能够控制微小的光束。

纯净的光是狂野的——它向四面八方移动、扩散并逐渐衰减。但当光与物质融合形成极化激元时，它就更容易被操控了。

在这项研究中，研究人员使用了由光子与一种名为二氯氧化钼（MoOCl2，非正式发音为“moo-kul”）的层状晶体材料混合而成的混合体。

极化激元就像可以朝特定方向操控的小汽车，而这种晶体具有特殊性质，使其在控制光方面更加有用。它根据你行进的方向表现出不同特性。在一个方向上它像导电金属，在另一个方向上则像绝缘体。

想象一下带有路缘和中央隔离带的道路。沿道路直线行驶很容易，但横穿路缘行驶会显著减慢你的速度。只需旋转晶体，就能调整准粒子的运动及其性质——速度、尺寸、距离、方向，甚至抓地力。

具有这些天然限制的材料，让工程师不必再为混合粒子设计屏障或通道。

“这项成果有望推动依赖在极小尺度上引导光的技术，例如先进光学电路和高分辨率成像工具，”Atreyie Ghosh是King团队成员、博士后学者，也是共同第一作者，他表示。“通过让光在保持高度聚焦的同时传播更远、损耗更小，它为更高效、更精确的光控制开辟了新可能。”

时间分辨光发射电子显微镜

King的团队采用了一种名为时间分辨光发射电子显微镜的技术，该技术将激光的易用性与电子显微镜观测极小物体的能力相结合。

“我们知道如何控制光子——我们可以控制它们的时间、时间波形、能量和偏振，”King说。但光学显微镜拍不清比可见光波长一半还小的物体。这个距离已经极小，但光-物质准粒子还要更小。

“另一方面，控制电子的时间、能量或偏振难度很大，”她继续说道，“但电子的衍射极限小得多。因此，我们结合两者之长，在空间和时间上对这些动态过程进行成像。”

该装置的工作原理是向晶体发射激光，产生极化激元并使其沿“街道”飞速传播。随后，团队以不会形成混合粒子的方式向晶体发射另一束激光，但仍会释放电子。其中一些电子与准粒子结合能量，使其“发光”，显微镜可以在一瞬间捕捉到这一现象。

研究团队反复进行这场“赛跑”，在起始和拍摄之间等待更长时间，在准粒子路径上的不同检查点捕捉图像。 King表示，这些快照合在一起形成了一部“分子电影”。

通过这部“电影”，他们观察到这些混合粒子的传播距离是此前在该晶体中测量到的三倍。

“实时观察到如此长的传播距离，令人震惊。”King团队成员、共同第一作者、研究生卡尔文·拉布（Calvin Raab）表示，“我们可以观察到极化激元穿过MoOCl2薄片，并在材料边缘反射。在真实空间中看到准粒子在二维材料内部弹跳，这种情况并不常见。”

材料至关重要

Ghosh解释说，这些结果令人兴奋，因为MoOCl2是一种空气稳定材料，可以轻松剥离成高质量的二维薄片，且所有测量都在室温下进行。“在这种实际条件下展示出长极化激元传播长度，使MoOCl2成为下一代光电器件极具前景的平台。”

MoOCl2 也是首批在晶体结构中天然带有方向依赖规则的材料之一，可以利用可见光形成准粒子，这一点很关键，因为“我们本来就生活在可见光的世界里，”金说。“我们的许多技术都是针对可见光频率开发的。”

这项工作引发了关于该晶体的几个基本问题：它的原子对光的反应有多活跃？研究人员能否改变它的特性？他们能否把层旋转、叠起来以实现不同的量子行为？他们能否进一步优化和控制它的电磁特性？

团队对这种材料的研究方向还有很多。金说，他们的最终目标是找到控制光的新方法，并“去挖掘，比如本校在量子信息科学领域正在做的那些漂亮工作。”

更多信息： Atreyie Ghosh 等，双曲 MoOCl2 中长程各向异性等离极化激元的时空可视化，《自然·通讯》（2026）。DOI: 10.1038/s41467-026-70565-2