想象一下，一束光射入某种材料后，并非如常前行，而是像撞上一面看不见的“反弹墙”，向相反方向弯折。这种被称为“负折射”的神奇现象，以往多依赖于人工设计的超材料或特定极性晶体。近日，香港大学张翔院士团队联合武汉大学刘晓泽教授、华南师范大学陈祖信副研究员等合作者，在天然二维磁性半导体CrSBr中取得突破。他们首次实验观测到由材料磁序介导的激子负折射，并基于此原理成功研制出可集成在芯片上的微型“激子超透镜”。该工作建立了利用磁序操控纳米光传播的新范式，为开发新一代磁光器件、片上超分辨成像系统及光-磁量子接口奠定了关键基础。成果发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）；论文共同第一作者为香港大学马静文研究助理教授与王雄博士后；共同通讯作者为张翔院士、刘晓泽教授与陈祖信副研究员。香港大学光量子物质全国重点实验室崔晓冬教授、尹晓波教授、张霜教授亦对本工作给予了重要指导。
负折射是实现超分辨成像、电磁波隐身等前沿应用的核心物理基础之一。以往，这一现象的实现主要依赖于金属纳米结构的等离激元共振，或是极性晶体中的声子极化激元。激子作为半导体中电子-空穴对的复合体，虽主导光吸收与发射，但其在操控光传播（尤其是实现负折射）方面的潜力长期未能被实验证实。理论预测，二维材料中的强激子共振可形成独特的“双曲”色散，为实现激子负折射提供了可能，但其实验实现与调控一直面临挑战。
研究团队以范德华层状磁体CrSBr为平台，攻克了这一难题。该材料在低温下具有层内铁磁、层间反铁磁的独特序构，且其强各向异性激子共振与磁序紧密耦合。团队发现，在磁有序相下，磁序会显著增强CrSBr沿特定晶轴方向的激子共振，致使该方向介电常数实部为负，从而形成支持负折射的“双曲”光学等频面。为直观观测，他们将CrSBr薄片与精密设计的片上纳米光子回路集成，通过波导引导光至材料边界，最终在远场直接捕捉到出射光与入射光居于法线同侧的负折射图像。
基于该效应，团队进一步构建出“激子超透镜”器件。通过调控入射光的波前，利用材料本身波长依赖的负折射行为，成功将发散光束会聚至衍射极限尺寸的焦点，实现了微纳尺度的片上光场操控。尤为重要的是，该负折射及聚焦功能展现出鲜明的“磁控”开关特性：当温度升高使材料转入顺磁相时，光学功能随即关闭。这一磁序依赖的调控维度，超越了传统等离激元或声子激元体系，为发展动态可重构的纳米光子器件提供了全新思路。
图1：磁序介导的激子负折射概念与器件。
图2：激子负折射的直接可视化。
图3：片上激子超透镜的性能演示。
图4：激子超透镜性能与磁序的关联。
本工作首次在二维磁性半导体中实现了磁序介导的激子负折射与超透镜，完成了激子物理、磁学与纳米光子学的深度交叉。它不仅证实了激子作为光子操控新维度的巨大潜力，更开辟了利用磁序这一外场自由度动态调控光传播的新路径。这项发现有望直接推动紧凑可调磁光调制器、片上超分辨成像及光-磁量子接口等下一代器件的发展，为集成光子学与量子信息技术提供关键材料与物理基础。
致谢
该项工作得到了香港研究资助局（N_HKU750/22，17208725）、国家自然科学基金（62261160386，62104073）等多个项目的资助。研究团队感谢加州大学圣地亚哥分校刘照伟教授、中山大学董建文教授、上海交通大学郭相东教授的有益讨论，以及香港大学相关团队在纳米加工方面提供的支持。
论文链接：
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
供稿：课题组
