上海交通大学，杰青团队，刚发Nature，最新成果登上Nature Materials！

米测MeLab

2026-09-10

特别说明：本文由米测MeLab技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识，如涉及版权请联系删除。

编辑丨风云

研究背景

天然材料的光学响应受晶体对称性约束，限制了可重构纳米光子器件的设计空间。极化子是光子与材料激发强耦合形成的杂化准粒子，其色散与波前可有效反映乃至调控材料的光学对称性。基于天然低对称晶体的极化子学研究虽已取得长足进展，但其模式拓扑严格受制于宿主晶格，器件多为静态、缺乏原位重构能力。

关键问题

目前，极化子对称性的动态调控主要存在以下两方面瓶颈：

1、扭转光子学依赖严苛的波矢匹配

基于扭转异质结的方案需通过调控介电常数实部重塑等频线拓扑，要求组元间满足严格的光谱与波矢匹配，严重制约了材料兼容性。

2、耗散长期被视作需最小化的负面量

传统方案运行于低损耗光子学框架内，光学耗散被当作应尽量抑制的寄生因素，而非可独立编程的调控自由度，对称性调控维度因此受限。

新思路

有鉴于此，上海交通大学戴庆教授、南京大学朱马光研究员、国家纳米科学中心胡海副研究员等人报道了一种非厄米耗散工程策略，实现了声子极化子对称性的电可编程破缺。在由天然α-MoO₃与半导体性取向碳纳米管组成的异质结中，取向碳纳米管层被确认为各向异性耗散介质。受制于过阻尼载流子动力学，碳管不发生极化子杂化，转而施加近邻诱导的阻性耦合，从而充当可调的动量空间损耗滤波器，选择性衰减沿特定晶向的传播。通过对碳管静电栅控调节其德鲁德损耗，团队实现了极化子拓扑从对称双曲线到非对称剪切波前的连续可逆调控。与需要严格波矢匹配的折射率工程不同，该耗散滤波机制无需相干杂化即可实现拓扑塑形，将耗散确立为拓扑纳米光子学与非厄米器件物理中可编程的自由度。

技术方案：

1、提出了非厄米耗散滤波的对称性破缺原理

构建了α-MoO₃/取向碳纳米管异质结，理论给出扭曲引入的纯虚数非对角项，使厄米与反厄米分量主轴失配，体系非对角化并剪切等频线。

2、制备并表征了主动各向异性耗散超表面

采用维度限制自对准技术制备晶圆级取向碳纳米管单层膜，集成背栅场效应管架构，开关比超10⁴，并提取出栅压可调的复介电张量。

3、实验观测了扭转角与厚度依赖的对称性破缺

近场成像显示θ=0°与90°时波前保持镜面对称，θ=42°时对称性被显著破坏，对称性破缺程度随α-MoO₃增厚而减弱。

4、实现了极化子传播与对称性的主动电学调控

在θ=39°器件中扫描栅压，波前由近对称连续演化为强非对称剪切态，高损耗轴品质因子由约14降至1，破缺度随栅压单调可逆变化。

技术优势：

1、以耗散为可编程自由度突破了低损耗范式

该工作颠覆了光学损耗仅具负面作用的传统观念，通过调控介电常数虚部实现拓扑塑形，绕开了常规低损耗光子学的关键约束。

2、成功研制了静电场有源电控可编程的极化子拓扑相变器件

首次将场效应管与人工异质结无缝集成，在常温下利用背栅偏压精细调控A-CNTs的Drude损耗，实现了极化子从对称双曲线向非对称剪切波前的在片可逆跃迁。

技术细节

人工—天然各向异性异质结中极化子的非厄米耗散工程原理

团队将双曲晶体α-MoO₃薄片转移至取向碳纳米管膜上构建范德华异质结。与扭转α-MoO₃双层中由介电常数实部主导的相干杂化不同，本工作靶向虚部：低载流子密度下碳管呈过阻尼载流子动力学，通过阻性耦合充当可编程的动量空间损耗滤波器。有效介质理论表明，只要σ_CNT,x≠σ_CNT,y且θ不为0°或90°，扭转必产生纯虚数非对角项，使厄米与反厄米分量主轴失配，体系因此非厄米，进而剪切等频线。近场模拟显示：平行管轴的极化子强烈耗散；因双曲色散中波矢与坡印廷矢量非共线，沿高损耗轴的选择性阻尼抑制横向能量通道，使存活能量流沿高损耗轴集中。

图  人工-自然各向异性异质结构中极化激元的非厄米耗散工程原理

主动各向异性耗散超表面的表征

团队采用维度限制自对准技术制备晶圆级取向碳纳米管薄膜，证实其为高结晶度离散单层；成束形貌引起强载流子散射，使体系处于过阻尼区，奠定其作为耗散介质的材料基础。集成背栅场效应晶体管后，输运显示稳健的p型行为，开关电流比超10⁴，径向输运较轴向低四个数量级。偏振红外光谱呈哑铃形极图：平行管轴有宽泛且栅压可调的消光，垂直方向响应可忽略，源自一维体系的跃迁选择定则。德鲁德—洛伦兹拟合显示，在α-MoO₃剩余射线带内沿管轴的介电常数实部始终为正，区别于常规等离激元—声子杂化结构，确证碳管膜为可调有损介电体；虚部随栅压剧烈调制。

图  有源各向异性耗散超颖表面的表征

扭转角与厚度依赖的极化子对称性破缺实验观测

近场成像揭示波前随几何参数演化。α-MoO₃晶轴与碳管平行（θ=0°）或正交（θ=90°）时传播保持对称。而θ=42°时波前镜面对称性被剧烈破坏，源于低损耗传播通道与基底高损耗轴的非正交耦合——碳管层施加单向阻尼，截断沿管轴的波矢；快速傅里叶变换证实双曲等频线被重塑为类剪切拓扑，支持破缺源于各向异性虚部波矢滤波而非模式杂化。团队在θ≈45°制备t=50、70、102nm异质结，发现破缺随厚度增加而减弱：50nm薄片倏逝尾场与有损基底重叠强烈、剪切明显，102nm时场更多局域于薄片内部、对称拓扑恢复，最佳区间为中等扭转角与较小厚度。

图  扭转角和厚度相关极化激元对称性破缺的实验观察

极化子传播与对称性的主动电学调控

团队将中等扭转角（θ=39°）异质结集成进背栅场效应管架构，通过栅压调控载流子密度与德鲁德散射率，实现不改几何的主动控制。V_g=150V下，载流子耗尽、各向异性德鲁德损耗受抑，损耗滤波器变得透明，极化子恢复α-MoO₃本征的C₂对称双曲波前；扫向积累区（V_g=−150V）时，空穴注入激活德鲁德响应，波前演化为定向的类剪切拓扑。关键在于，破缺仅源于耗散滤波而非折射率工程：沿管轴的动量态被选择性过阻尼。近场线剖面与品质因子确证了这一极端各向异性——高损耗轴Q值由约14骤降至1，低损耗轴维持在15至11；传播长度下降集中于目标方向。

图  极化激元传输和对称性的有源电控制

展望

本工作提供了一份通用蓝图，克服了长期束缚诸多奇异光学现象研究的静态材料属性限制。通过在纳米尺度上电编程光的传播对称性，该成果为可重构纳米光子器件——包括主动光束整形器、光开关与可编程光路——开辟了直接路径。更重要的是，它将耗散确立为纳米光子学中一个强有力且独立的自由度，挑战了"光学损耗仅为有害因素"的主流范式，证明经过设计的耗散可以成为功能性资源；以介电常数虚部作为主动设计参数，该策略绕开了常规低损耗光子学的关键约束，使可重构非厄米器件得以突破本征低损耗区的限制。

参考文献：

1. Chen N, Teng H, Sun Y, et al. Electrically programmable polariton symmetry breaking via non-Hermitian dissipation engineering. Nat. Mater. (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02734-z

值得注意的是，2026年6月17日，上海交通大学戴庆教授联合国家纳米科学中心杨晓霞研究员、北京大学高鹏教授和苏州实验室丁峰研究员，在Nature发表题为：Probing picometre-scale interlayer deformations via hyperbolic polaritons的研究成果。该研究建立了一种基于双曲声子极化激元的新型光学技术，实现了对范德华材料层间微小形变的探测。研究团队在六方氮化硼（hBN）及其异质结体系中，揭示了原子尺度层间应变调控与光学响应的依赖关系，为纳米器件界面应力表征提供了技术支撑。