香港大学&武汉大学&华南师范大学Nat. Nanotechnol.:由磁序介导的激子负折射

成果介绍

激子在半导体的多种玻色子量子现象中普遍存在。在其光学跃迁过程中，激子不仅能发射或吸收光子，还决定着其在介质中的光传播行为。尽管激子的吸收与发射过程已在实际应用中——主要见于发光二极管与太阳能电池——得到广泛应用，但其调控光传播的能力却远未得到充分探索。

有鉴于此，香港大学张翔教授、武汉大学刘晓泽教授、华南师范大学陈祖信副研究员在一种激子型范德华磁体（即硫化溴化铬CrSBr）中观测到了负折射现象——光的弯曲方向与传统折射相反。研究还在集成纳米光子芯片上研制出一种激子超透镜，其功能由CrSBr的磁序调控。具体而言，观测到的负折射与超透镜效应均在CrSBr处于磁有序状态时出现，这源于磁序对激子共振的增强作用。本工作确立了范德华磁体中的激子作为调控纳米尺度异常光传播的通用平台。

图文导读

图1 | 磁序介导的激子负折射现象。a. 范德华磁体CrSBr中激子负折射的概念示意图。在尼尔温度T_N以下，块体CrSBr在层内呈现面内铁磁序，沿堆叠方向呈反铁磁序。CrSBr薄片表现出与磁序相关的高度各向异性激子。该激子共振可沿b轴产生负介电常数，从而引发激子负折射现象——折射角θ_out与入射角θ_in方向相反。b. 激子负折射器件的光学显微图像。该器件由集成在TiO₂基纳米光子回路中的95纳米厚CrSBr薄片构成。CrSBr的晶轴a和b分别与器件的x轴和y轴对齐。y偏振光束聚焦于纳米光栅后耦合进入TiO₂脊形波导的TE₀模式。脊形波导通过锥形结构将光导入CrSBr，以θ_in=10°的入射角实现负折射。面内传播的光经锥形波导上的微小散射点（P₁）及CrSBr边界散射至自由空间，便于对光束路径进行远场表征。

图2 | 激子负折射的直接观测。a–c，叠加在器件显微图像上的远场散射测量图像。散射图像可辅助追踪折射行为，因为面内传播的光会在TiO₂散射点（光斑P₁）和CrSBr边界（光斑P₂与P₃）处散射至自由空间。注意虚线矩形区域的测量信号经数值放大以提升可见度。结果显示：在884.4纳米波长处出现负折射（θ_out < 0）（a）；在911.7纳米波长处出现介电常数近极点（θ_out  = 0）（b）；在970.5纳米波长处呈现常规折射（θ_out  > 0）（c）。 d，不同波长下测量（紫色圆点）与计算（棕色曲线）的折射角θ_out。负折射现象出现在波长小于911.7纳米处，这与激子剩余射线带（浅蓝色阴影区域）高度吻合。e，在150开尔文以下，CrSBr薄片呈现双曲型等频线（蓝色曲线），其拓扑结构与周围各向同性介质的圆形等频线（棕色曲线）截然不同。在折射过程中，入射光束波矢k_in与折射光束波矢k_out沿界面方向的动量始终保持守恒。入射光束的坡印廷矢量s_in与其波矢k_in方向一致，而折射光束的坡印廷矢量s_out垂直于双曲型等频线，从而导致负折射角θ_out < 0。

图3 | 激子超透镜性能演示。a–c，波导终端（P₁）及CrSBr边界（P₂–P₃）处测量的散射光图像（叠加于显微图像之上）。需注意散射光由远场光学显微镜收集，因此本文演示的超透镜是在衍射极限条件下观测的。TiO₂波导被突然截断，将发散光场耦合至CrSBr薄片上。在865.4纳米波长处，光在CrSBr内部聚焦，于P₃形成模糊光斑（a）；在899.1纳米波长处，光精确聚焦于CrSBr上边界P3（b）；在970.5纳米波长处，常规折射（正θout）导致光在CrSBr上边界P₃处更发散，P₃光斑呈现模糊状态（c）。d，不同波长下测量光斑P₁与P₃处拟合的x方向光束宽度w_x。P₁的光束宽度基本保持恒定（蓝色圆点），对应本显微镜系统的分辨率极限。P₃光斑的光束宽度具有高度色散特性，在899.1纳米波长处与P₁宽度几乎一致，表明在该特定波长下，发散光场被精确聚焦于P₃点。

图4 | 激子超透镜性能对CrSBr磁序的依赖性。a. 超透镜器件中光斑P₁（曲线）与P₃（圆点）在x方向的光束宽度（w_x）随温度变化的测量光谱。在尼尔温度T_N以下，CrSBr在层内呈现面内铁磁序，并沿堆叠方向具有反铁磁耦合。始终存在特定波长可将发散光精确聚焦于CrSBr上边界，使P₃光斑的最小光束宽度接近P₁。高于居里温度T_C时，CrSBr转变为具有随机自旋取向的顺磁相。此时P₃的最小光束宽度始终大于P₁，表明超透镜功能在顺磁相下失效。b. 不同温度下P₃光斑的最小光束宽度（w_x）测量值。当CrSBr进入顺磁相时，该值急剧增大。c. 对a中虚线框所示895纳米至912纳米波长范围内w_x光谱的放大显示。在10 K低温处存在一个尖锐峰值，随着温度升高至50 K，该峰逐渐红移且显著性降低。这一精细特征源于与CrSBr磁序强烈关联的激子共振X^*

结论与展望

通过将CrSBr薄片集成到纳米光子回路中，研究观测到了激子负折射与超透镜现象。这些现象彰显了激子在调控反常光传播方面的卓越能力。相较于先前对CrSBr中双曲型激子极化激元一维色散的初步测量，本工作可能是最终实现二维平面内反常光传播调控的第一步。结合激子可通过与范德瓦尔斯材料中多种自由度（如电荷、声子以及本文所论证的磁序）相互作用实现可调谐性与强非线性特性，这一研究有望推动新型可调谐纳米光子器件、深亚波长磁光器件以及集成光磁回路的创新发展。

文献信息

Ma, J., Wang, X., Gong, Y. et al. Excitonic negative refraction mediated by magnetic orders. Nat. Nanotechnol. (2026). 

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02118-5

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