隨着摩爾定律逐漸逼近極限，傳統電子算力面臨嚴峻挑戰，世界正站在下一次極具顛覆性的“光子革命”門檻上。事實上，這為我國實現科創路徑躍遷、搶佔未來產業制高點提供了戰略機遇。
然而，與電子相比，光雖然速度更快、容量更大，卻始終面臨一個根本難題——難以在微觀尺度上被精細操控。這一瓶頸，長期制約着光子技術向芯片級集成和大規模應用邁進。
論文信息
北京時間4月23日，國際頂尖學術期刊《自然·材料綜述》（Nature Reviews Materials）發表了上海交通大學戴慶教授與國家納米科學中心胡海研究員等最新成果。這些中國科學家系統提出一種新的控光思路：通過材料的原子級設計，把光“壓縮”到納米甚至更小尺度，從而實現對光的精準調控。這條新開闢的納米控光路徑，瞄準了下一代光子芯片底層架構。
研究團隊在實驗室
設計材料壓縮光，讓光“按需傳播”
該成果以《雙曲介質中極化激元的傳輸》為題發表。研究團隊所依託的，正是一種被稱為“極化激元”的特殊光學形態，它可以理解為光與物質微觀電荷耦合後形成的一種新型波動形式。
當光進入特定材料後，會與其中的電荷發生相互作用，形成一種被大幅壓縮的波動形態。相比傳統光波，這種“壓縮後的光”尺度更小，也更容易被操控。戴慶、胡海認為，這一機制使光首次具備了在納米尺度上被精細引導和調製的可能。
有了從“宏觀波動”到“納米尺度”的基礎，這項研究進一步表明，可以通過設計材料的原子結構，直接調控光的行為。相關材料的層數、排列方式以及界面結構，都會成為控制光傳播路徑和方式的關鍵因素。
這意味着，材料本身不再只是光的“承載體”，而成為調控光的“控制器”。在這種體系中，光可以“按需傳播”，沿特定方向傳播而不發散，在界面上產生反常折射，甚至在極小尺度實現強聚焦。一系列過去難以實現的光學現象，正在轉變為可以設計和利用的功能。
網頁截圖
控光能力跨界賦能，從化學到IT
這種對光的精細操控能力，正在向多個學科領域延伸。比如在化學領域，光有望從傳統的“觀測工具”，轉變為直接參与反應過程的“作用工具”。通過在納米尺度上調控光場分布，未來有望影響分子反應路徑，實現更精細的化學反應控制。
而在信息技術領域，這種控光能力的意義更加突出。隨着人工智能快速發展，算力系統正面臨新的瓶頸——芯片之間的數據傳輸速度，成了限制整體性能的“天花板”。傳統的電互聯在功耗與帶寬上已接近極限，而光互聯被認為是關鍵突破方向。
研究團隊認為，在這一背景下，基於極化激元的器件，因其尺寸更小、響應更快，有望支撐更高密度、更低功耗的信息處理方式，為下一代算力體系提供關鍵基礎。
綜述中的雙曲極化激元跨學科基礎與應用全景圖
走向器件，極化激元晶體管初現鋒芒
在微觀尺度“用原子操控光”，不僅僅是物理學層面的重要突破，更是在逼近新一代智能計算底座的關鍵技術環節。
當前，無論是傳統的硅基平台，還是被寄予厚望的薄膜鈮酸鋰等技術路線，都面臨一個難以逾越的瓶頸：由於器件難以進一步微縮，在寸土寸金的芯片上難以實現超高密度集成。這就如同擁有了速度極快的列車，卻無法鋪設足夠密集的軌道網絡，最終制約了整體系統能力的提升。
而中國團隊的這項研究，為突破這一尺寸與性能“雙重約束”提供了關鍵路徑。正如電子芯片的算力基石是晶體管，研究團隊基於極化激元對光場的極限壓縮能力，在底層探索出了“極化激元晶體管”的基本原理。
這種新型微型器件，有望在深亞波長的尺度下，實現對光信號的超快、低功耗調製。業內普遍認為，這一核心器件的突破，為下一代信息處理架構提供了關鍵硬件基礎。
更重要的是，這一底層能力的打通，使一條清晰的產業化路徑逐漸顯現：以極化激元微型器件為起點，向上延伸至高速光互聯模塊，進而支撐面向人工智能的光子芯片架構。這一路線不僅有望突破傳統集成光子的物理極限，也為我國在新一代算力技術競爭中贏得主動提供了重要支撐。
戴慶、胡海團隊
面向未來，光子技術孕育底層新架構
根據綜述文章勾勒的一條貫穿物理、材料、化學與信息科學的交叉演進路線，從電子信息走向光子信息，不僅是技術路徑的延伸，也可能重塑未來計算體系的底層架構。
這一國際論文以戴慶為通訊作者，胡海研究員等為共同第一作者。兩人表示，誰能在“如何更高效地操控光”以及“如何實現光子器件規模化集成”這兩個關鍵問題上率先突破，誰就有望在下一代信息技術競爭中佔據先機。
解放日報·上觀新聞記者了解到，《自然·材料綜述》多為約稿制，其影響因子甚至高於正刊。該綜述在同行評審階段贏得國際評審專家的一致高度評價。他們認為，該工作“經過深思熟慮且具有重要影響力”，在系統梳理前沿進展同時，為相關領域研究與產業發展提供了重要參考。
其中第一位審稿人認為，“本文對雙曲極化激元展開了全面且極具時效性的綜述，內容涵蓋其基本原理、材料體系、拓撲相變、反常輸運現象以及多學科應用，在深度與廣度之間實現了極佳平衡。”
原標題：《操控光就像操控電子，中國科學家納米控光登上頂刊，瞄準下一代光芯片底層架構》
圖片來源：受訪單位
來源：作者：解放日報 徐瑞哲
