纳米光场操控是现代光子学与纳米科技的核心前沿，推动了新型纳米光电器件、超分辨成像及下一代光通信等领域的发展。极化激元（Polaritons）是一种光与物质中偶极振荡强耦合形成的特殊电磁模式，具有半光-半物质属性。极化激元可将光场压缩至纳米尺度，实现突破衍射极限的电磁场操控。近几年研究表明，各向异性材料中极化激元具有特殊的光学色散和传播特性（如非衍射传播、双曲传播、射线化传播等），为纳米光学提供了全新的物理体系与应用前景。
近日，北京理工大学姚裕贵院士、李家方教授、段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授团队等合作者，以“Fundamental optical phenomena of strongly anisotropic polaritons at the nanoscale”为题，在Nature Nanotechnology上发表综述文章，预言了各向异性极化激元可能存在的新奇光学现象，总结了纳米尺度上光场能量传播调控策略及其在纳米光子学器件中的应用前景，展望了极化激元走向实际器件应用所面临的关键问题。
各向异性极化激元的新奇光学现象
各向异性极化激元传播行为往往违背各向同性材料中的传统光学定律（如斯涅尔折射定律和反射定律等）,表现出许多反常的光学现象。理解这些现象有望在纳米尺度上实现前所未有的光场操控能力，解决集成光子学中器件小型化与性能损耗之间的矛盾，开启全新的光与物质相互作用物理图景。
极化激元传播行为由其等频线（isofrequency curves，IFCs）决定。文章梳理了各向同性晶体（石墨烯）、单轴晶体（六方氮化硼）、双轴晶体（α相三氧化钼）到单斜晶体（β相氧化镓）中，介电张量如何塑造出圆形、椭圆、双曲、双曲剪切、线性、线性交叉等多种极化激元IFCs （图1）。
图1：极化激元光学色散
上述多种奇特的IFCs导致各向异性极化激元在纳米尺度上的折射、反射和聚焦行为完全不同于传统认知：
（1）新奇折射现象（图2），包括负折射（入射与折射能流位于界面法线同侧）、反常折射（从低到高折射率介质折射角小于入射角）、无弯曲折射（折射前后能流传播方向不变）、无反射折射（因IFC对称性破缺而导致反射消失）和鲁棒性折射（折射角不依赖于入射角）等；
图2：各向异性极化激元新奇折射现象，例如无弯曲折射、无反射折射和鲁棒性折射，更多折射现象详见原文
图3：各向异性极化激元新奇反射现象，例如背反射、负反射、无反射等。更多反射现象详见原文
（3）新奇聚焦现象（图4）：线性交叉色散极化激元干涉导致的中红外光场纳米聚焦，理论上焦点尺寸可无限小。
极化激元调控策略
不同应用场景中需对极化激元光电物性进行精细调控，文章系统总结了现有的极化激元调控策略：
（1）材料工程，即通过改变极化激元材料厚度、纳米结构、材料组分（如原子插层、元素掺杂、同位素纯化等）等实现极化激元本征光电响应的调控；
（2）堆叠与扭转，即构建范德瓦尔斯异质结、重构叠层结构转角等，实现极化激元拓扑物性的调控；
（3）局域环境工程，即通过改变极化激元材料下（上）衬底，实现极化激元光学色散调控；
（4）外加物理场，即通过施加静电场、光场、温度场、磁场等实现极化激元传播行为的原位动态调控。
各向异性极化激元应用前景
基于上述特性，各向异性极化激元在多个前沿领域展现出巨大潜力（图5）：
（1）纳米波导与能量输运，极化激元无衍射传播可构建超紧凑、低损耗的片上光互联和波导；
（2）光与物质相互作用增强，双曲极化激元高动量组分可实现光场在极小体积内的局域，极大增强光与物质相互作用，服务于高性能纳米激光器、传感器和单光子器件；
（3）超分辨成像，极化激元非衍射传播可实现亚波长尺度物体的超分辨光学成像；
（4）分子传感，极化激元的强光场局域能有效探测分子振动光谱等微弱信号，为痕量生物化学检测和表面增强红外光谱提供新平台。
图5：各向异性极化激元在纳米光子学领域的潜在应用
总结与展望
该综述系统性地阐明各向异性极化激元凭借其独特的色散关系，在纳米尺度下重新定义光的行为准则。从挑战经典光学定律的负折射、无反射传输，到实现深亚波长聚焦与鲁棒性传播，这些新奇现象不仅革新了我们对基础光-物质相互作用的理解，更开辟了一条通往高度可控、超紧凑集成纳米光子技术的道路。
尽管极化激元应用前景广阔，但该领域从基础物理研究迈向器件应用仍面临核心挑战：
（1）在器件层面，亟需开发与各向异性极化激元特性相匹配的新型纳米光子“元件”，如波矢选择器、动态路由器和光逻辑门等，以构建真正功能化的片上系统；
（2）在性能层面，如何有效补偿或利用极化激元传播损耗，是实现高效器件的关键；
（3）在性质调控层面，当前极化激元调控研究多集中于各向同性或双曲极化激元，而线性、线性交叉型极化激元的有效操控手段尚属空白；
（4）在基础研究层面，当电磁场被限制在接近原子尺度的极端空间时，非局域效应和量子多体效应将变得显著，理论模型需进一步优化。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-025-02039-3
