想像一束光射入某种特殊材料后，并非笔直穿过，而是像遇到一面看不见的“反弹墙”，突然向反方向弯折。这种被称为“负折射”的奇妙现象，以往仅能透过复杂的人工超材料实现。如今，香港大学（港大）校长兼工程学及物理学系讲座教授张翔院士领导的研究团队，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，在一种名为CrSBr的天然磁性半导体中取得了原创性突破。团队首次在实验中观测到由材料内部磁序直接调控产生的“激子负折射”效应，并基于此原理，成功研制出可集成在晶片上的微型“激子超透镜”。

当光学懂得“急转弯”

这项研究不仅是一项基础科学突破，更建立了 “利用磁序操控纳米光”的全新技术范式。它为开发新一代磁光器件、片上超解像成像系统以及未来光-磁量子介面奠定了关键基础，展现出巨大的产业应用前景。研究成果已发表于顶级期刊《自然·纳米技术》。论文共同第一作者为港大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。港大光量子物质全国重点实验室崔晓冬教授、尹晓波教授、张霜教授亦对该研究给予了重要指导。

追寻更精巧的光控技术

负折射是实现超解像成像（如看清更微观的细胞结构）和电磁波隐身等前沿应用的核心物理原理之一。过去，实现负折射主要依靠两类材料：一是金属纳米结构，二是特定极性晶体。两者各有局限，且难以动态调控。

半导体中的“激子”（可理解为光激发产生的电子-空穴对“搬运工”团队），本是材料发光和吸光的核心角色。理论上，二维材料中强大的激子共振可以形成特殊的“双曲”色散关系，为实现一种全新的、基于激子的负折射提供了可能。然而，如何在实际材料中实现并精确调控它，一直是科学界悬而未决的挑战。

创新突破：磁与光的交响

研究团队选择了范德华层状磁性材料CrSBr作为突破口。该材料在低温下具有独特的磁性序构：层内是铁磁排列，层间则是反铁磁排列。关键之处在于，其强烈的、方向各异的激子共振与材料本身的磁序紧密耦合在一起。团队发现，当材料处于磁有序状态时，其磁序会显著增强沿着某个特定晶体方向的激子共振强度。这直接导致该方向上的材料光学响应发生质变——介电常数实部转为负值，从而形成了支持负折射的“双曲型”光学等频面。

为了直观“看见”这一现象，团队将CrSBr薄片与精密设计的片上纳米光子回路集成。他们通过光波导将光引导至材料边界，直接捕获到了出射光与入射光位于法线同侧的清晰图像，这便是负折射的直接证据。

基于这一独特效应，团队进一步构建了“激子超透镜”原型器件。通过设计入射光的波前，利用材料本身随波长变化的负折射行为，成功将发散的光束汇聚到尺寸接近绕射极限的微小焦点上，实现了在晶片上对光场的纳米级精密操控。

尤为引人注目的是，该器件的负折射与聚焦功能展现出鲜明的 “磁控”开关特性：当温度升高，材料从磁有序相转变为顺磁相时，光学功能随即“关闭”。这种通过磁序（可通过温度、磁场调控）来动态操纵光的能力，超越了传统体系，为研发动态可重构的纳米光子器件提供了革命性的新思路。

总结与展望

本研究深度融合激子物理、磁学与纳米光子学三个前沿领域，不仅证实了激子可作为操控光子的一种强大新维度，更开辟了利用材料内在磁序这一自由度来动态调控光传播的全新路径。此项基础突破所衍生的负折射超透镜技术，是实现下一代超解像成像、纳米光刻、高密度光存储及集成光路系统的关键核心。研究为发展“紧凑可调磁光调制器”与“片上超解像显微镜”等未来器件提供了原理支撑，可直接赋能粤港澳大湾区强大的电子信息、精密制造及生物医药产业，例如推动开发更先进的晶片检测设备或突破性的医疗诊断仪器。同时，本研究开辟的“光-磁量子介面”新路径，构成了量子计算与量子通信等战略科技的重要环节，体现了光量子物质全国重点实验室对大湾区量子科技发展的有力支持。