从规避损耗到驾驭耗散，碳管/MoO₃异质结建立极化激元电光调控新路径
近日，上海交通大学戴庆、国家纳米科学中心胡海联合南京大学朱马光，面向人工智能算力快速增长所带来的高速、低功耗光互联需求，在极化激元动态调控与非厄米纳米光子学领域取得重要进展。研究团队提出极化激元器件“损耗工程”（polariton dissipation engineering）新思路：不再把损耗仅仅视为需要规避和压低的性能负担，而是通过电学手段对耗散的强度与方向进行主动设计，使其转化为调控纳米光场的功能自由度。团队利用栅压调控顺排碳管薄膜的各向异性耗散，将其转化为可电调的“动量空间损耗滤波器”，实现极化激元传播对称性的连续、可逆调控。学术上，该工作建立了一种面向极化激元器件的损耗工程方法；面向产业应用，则为突破强亚波长器件中“高约束与高损耗并存”的瓶颈探索了新的技术路径，为未来极高带宽电光调制、开关与路由器件形成前瞻性技术储备。相关成果发表《Nature Materials》。
图1:极化激元对称性电学编程概念图。氧化钼薄片集成于顺排碳管薄膜之上，栅压通过调节碳管中的载流子浓度与各向异性耗散，使其形成可调的动量空间损耗滤波器。图中不同形态的传播波前表示极化激元由对称双曲形态向不对称剪切形态的连续、可逆演化。
生成式AI、大模型训练与推理正在推动芯片间、板间乃至机柜间的数据交换量持续增长，光互联需要以更高带宽密度、更低单比特能耗和更小器件尺寸持续支撑算力扩展。电光调制器是其中的核心器件，其性能直接决定电信号进入光域的速度、能耗和集成密度。当前硅光、薄膜铌酸锂以及等离激元-有机混合等路线都在向更高带宽、更低驱动电压和更小尺寸演进。尤其是等离激元等强亚波长调制平台，利用等离激元的深亚波长光场约束和电光材料的强响应，可显著缩短光-电相互作用长度，是迈向极高带宽、超紧凑调制器的重要方向；但越强的光场约束往往也意味着越显著的金属吸收和材料耗散。传统器件工程主要围绕“如何把损耗降得更低”展开，而本工作进一步提出另一条路径：对于难以完全消除的损耗，能否通过空间、方向和电学编程把它重新组织起来，使其从单纯的性能代价转化为器件功能的一部分。
极化激元为研究这一问题提供了理想平台。它具有深亚波长光场约束能力，但传统研究主要围绕介电响应实部、模式杂化与晶体对称性展开，介电响应虚部所对应的损耗通常被视为需要规避的不利因素。研究团队则将“损耗”从被动参数提升为主动设计维度：如果能够控制介电响应虚部的大小和方向性，使不同动量通道经历不同程度的衰减，那么耗散分布本身就可以重塑等频轮廓、波前和传播方向。由此形成的极化激元器件“损耗工程”，并不是简单地把损耗变小，而是对损耗进行可控配置和功能化利用——把过去限制器件的因素转化为新的可编程自由度，实现从“规避损耗”到“驾驭耗散”的设计范式转变。
基于这一思路，团队构造了氧化钼与顺排碳管薄膜异质结，并提出非厄米耗散工程策略。与依赖介电响应实部和模式匹配的传统转角光学不同，顺排碳管薄膜中的过阻尼载流子并不与声子极化激元形成相干杂化，而是通过近场产生强各向异性电阻耦合。由此，碳管薄膜相当于一个“动量空间损耗滤波器”：它选择性衰减沿碳管轴向传播的波矢分量，同时基本保留正交方向的模式，实现对极化激元传播通道的定向筛选。
当氧化钼晶轴与碳管排列方向形成特定扭转角时，介电响应实部与虚部的主轴错位产生非厄米耦合，使原本对称的双曲等频轮廓演化为剪切状轨迹，并进一步在实空间中表现为波前镜像对称性的破缺。更重要的是，研究团队通过栅压调节碳管载流子浓度，即可连续改变各向异性耗散强度，使极化激元波前在对称双曲形态和不对称剪切形态之间连续、可逆切换，从而建立电信号与纳米尺度光学传播状态之间的直接联系。
这一工作的核心价值，不只是实现了一种新的极化激元波前现象，更在于建立了一套具有可迁移性的器件设计思想。学术上，它可以概括为极化激元器件的“损耗工程”：在继续追求低本征损耗的同时，进一步利用耗散的方向性、空间分布和电可调性来设计器件功能。对于POH等面向超高速光互联的强约束电光平台，这提供了区别于单纯材料降损和几何优化之外的新思路——当某些损耗不可避免时，可以尝试把它转化为消光、通道选择、波前重构等功能的一部分。由于这一机制发生在深亚波长尺度，并能够由电信号直接调控，它为进一步压缩有源区尺寸、缩短调制作用长度以及探索更高乃至极高带宽电光器件提供了新的物理机制与器件设计路径。
从产业技术演进的角度看，这项工作的意义更在于“为下一代器件提前储备一条新路线”。当前研究首先完成了新机制和新概念的验证，未来需要进一步回答动态响应速度、调制带宽、消光能力、驱动电压和能耗等器件指标问题。若能将可编程耗散机制与高速电极、快速电光材料、光子/等离激元波导及局域栅控结构协同集成，就有机会从单个极化激元功能单元进一步扩展到高速调制器、多单元阵列、可重构光路乃至片上网络。这项工作当前并不是对既有高速调制器性能的直接提升，而是在学术上建立极化激元器件损耗工程，在产业上探索未来极高带宽器件的一条创新路径，并形成面向规模化集成的前瞻性技术储备。
9月7日，相关成果以Electrically Programmable Polariton Symmetry Breaking via Non-Hermitian Dissipation Engineering为题在线发表于《Nature Materials》。上海交通大学戴庆、国家纳米科学中心胡海、南京大学朱马光为论文共同通讯作者；上海交通大学访问学者陈娜（国家纳米科学中心博士后）、上海交通大学博士后滕汉超、南京大学博士生孙逸夫为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京科技新星计划、中国博士后科学基金、北京自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目支持。
图2｜人工-天然各向异性异质结构中极化激元非厄米耗散工程原理。
图3｜主动各向异性耗散超表面的表征。
图4｜扭转角和厚度依赖的极化激元对称性破缺实验观察。
图5｜极化激元传播与对称性的主动电学调控。
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