港大首創磁控「激子超透鏡」 實現負折射效應突破 量子科技與晶片檢測有望升級

香港文匯報訊（記者 莫楠）量子科技作為國家未來創新發展的重要戰略領域，香港積極參與其中，基礎科研屢獲新猷。香港大學校長兼工程學及物理學系講座教授張翔領導的研究團隊，聯合武漢大學、華南師範大學等專家學者，在一種名為CrSBr的天然磁性半導體中，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」，建立了「利用磁序操控納米光」的全新技術範式，為新一代未來科技的開發奠定關鍵基礎。研究成果已發表於頂級學術期刊《自然·納米技術》。

負折射是實現超解像成像（如觀察更微觀的細胞結構）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賴金屬納米結構或特定極性晶體兩類材料，但兩者均存在局限且難以動態調控。理論上，半導體中的「激子」可形成特殊「雙曲」色散關係，為實現基於激子的負折射提供可能，但如何在實際材料中實現並精確調控，一直是科學界懸而未決的挑戰。

研究團隊選擇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。其強烈且方向各異的激子共振與材料磁序緊密耦合。團隊發現，當材料處於磁有序狀態時，磁序會顯著增強沿特定晶體方向的激子共振強度，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，從而形成支持負折射的「雙曲型」光學等頻面。

為直觀呈現這一現象，團隊將CrSBr薄片與精密設計的片上納米光子迴路集成，通過光波導將光引導至材料邊界，直接捕獲到出射光與入射光位於法線同側的清晰圖像，獲得負折射的直接實驗證據。基於此效應，團隊進一步構建「激子超透鏡」原型器件，利用材料隨波長變化的負折射行為，成功將發散光束匯聚至尺寸接近繞射極限的微小焦點，實現了納米級精密操控。此外，該器件的負折射與聚焦功能展現出鮮明的「磁控」開關特性，這種動態操縱光的能力，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新思路。

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。研究為發展「緊湊可調磁光調製器」與「片上超解像顯微鏡」等未來器件提供原理支撐，同時，研究開闢的「光-磁量子介面」新路徑，構成量子計算與量子通信等戰略科技的重要環節，可直接助力粵港澳大灣區量子科技發展，在電子信息、精密製造及生物醫藥等產業上取得更先進的突破。

論文共同第一作者為港大研究助理教授馬靜文與博士後王雄；共同通訊作者為張翔、武漢大學教授劉曉澤與華南師範大學副研究員陳祖信。