近日，上海交通大学戴庆教授联合国家纳米科学中心胡海研究员等，对双曲介质中极化激元的反常传输机制进行了系统综述，并提出“原子制造光学态”的研究理念，构建了贯穿不同维度体系的物理框架与跨学科发展路线。相关成果以综述形式在线发表于Nature Reviews Materials。
长期以来，现代光学与材料物理面临一个共同挑战：自由空间光场波长与分子、晶格等微观特征尺度之间存在显著失配，限制了深亚波长尺度上光与物质相互作用的精准调控。围绕这一问题，研究团队借鉴半导体领域通过原子级结构精度调控电子行为的基本思路，提出通过原子级精度设计材料的光学响应参数，如介电张量、层间耦合和晶体对称性等，按需调控极化激元的色散关系与局域行为，从而推动光场操控进入单纳米乃至亚纳米尺度。
基于这一理念，文章系统建立了贯穿0维至3维体系的极化激元物理框架。作者指出，材料层数、晶体对称性、堆垛构型和界面耦合等原子级结构参数，可作为调控极化激元模式的重要“旋钮”。在不同几何约束下，这些因素能够支持从0维纳腔中的强空间局域、1维波导中的无截止定向传输，到3维体相晶体中的剪切模式与幽灵拓扑模式等多类特征鲜明的极化激元行为。该框架深化了对衍射极限以下波动现象的认识，也为突破传统光子材料“响应固定、调控受限”的瓶颈提供了新路径。
在此基础上，综述进一步梳理了双曲极化激元中一系列反常传输现象的物理机制及其调控方法。文章系统总结了驱动等频色散拓扑转变的多种主动调控手段，并讨论了极化激元在异质界面和人工周期结构中呈现出的无弯曲折射、面内与面外负折射、类双折射以及无衍射定向渠化传输等特殊行为。结合周期性微纳加工构建的极化激元超晶体，作者还分析了基于边界态拓扑保护与布洛赫模式定制的波前调控策略，展示了极化激元从被动响应走向主动编程的潜力。
除基础物理外，该综述还讨论了双曲极化激元在材料科学、物理、化学与信息科学中的潜在影响，并勾勒出该方向未来的发展路线。文章指出，这一领域的发展仍面临若干关键挑战，包括复杂低对称体系中的量子模型构建、大面积高保真异质集成，以及器件尺度下的稳定调控与制造等。相关突破有望推动下一代片上极化激元光电互连、分子尺度近场热管理、量子电动力学调控化学以及高灵敏红外和太赫兹传感等方向的发展。
在化学交叉领域，文章指出，当光场被压缩至与分子化学键相当的单纳米尺度后，其作用不再局限于对分子信息的被动读取，而有可能通过改变分子所处的局域电磁环境、真空涨落及势能面形貌，影响原子尺度上的量子跃迁与反应路径。这为极化激元参与分子调控提供了新的物理图景。
在信息科学方向，双曲极化激元则展现出面向新一代片上信息处理平台的重要潜力。综述重点讨论了其在纳米激光器、电光调制器等核心器件中的应用前景。由于极化激元能够在深亚波长尺度内实现极强光场局域，并对外部激励保持高度敏感，因此有望支撑超快、低功耗、高密度的片上光信号调控，为高带宽、低能耗光子互连以及极化激元计算器件的发展提供基础。
4月22日，该综述以“Transport of polaritons in hyperbolic media”为题在线发表于Nature Reviews Materials。上海交通大学戴庆教授为论文通讯作者，国家纳米科学中心胡海研究员、海博论坛 博士后滕汉超、国家纳米科学中心博士后陈娜和博士生薛卓昕为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目资助。论文链接：//doi.org/10.1038/s41578-026-00907-5
双曲极化激元跨学科基础与应用全景图
图示系统描绘了该领域从基础科学突破走向前沿技术转化的宏大路线：以材料科学中的“原子制造光学态”与能带工程为起点，结合物理学中的极度局域波动力学与量子态探针；进一步延伸至化学领域，实现从单纳米尺度分子指纹感知到“用光创制分子”的范式跨越；在信息科学中，落地于片上光源集成、超高速调制与极化激元计算器件，展现其赋能全光算力硬件底座的颠覆性潜力。