由摩爾定律指導的電子器件小型化的研究陷入瓶頸，南洋理工大學於7月16日發表在《Nature》期刊上的一項研究，題為《非雙曲晶體表面上的長程雙曲極化激元》（Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface），顯示了光學研究的重大突破。
該團隊證實：即使結構普通的晶體，也能在表面實現精確的納米級光操控。
南洋理工大學胡光維教授個人照。
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源於提問的突破
該研究的核心在於控制晶體中納米級光和原子級振動（晶格振動）。
晶體示意圖。來源：ntu
傳統觀念認為，唯有雙曲晶體能產生一種特殊的波——雙曲聲子極化子（光和晶格振動的耦合態），從而實現光的超精確限制和操控。
然而，由胡光維教授領導的NTU研究團隊及其國際合作者提出了一個根本性問題：非雙曲晶體能否表現出雙曲性質？
要使晶體呈現雙曲性，其響應電場的能力（即介電常數）必須在不同方向上存在顯著差異，以至於有時允許電場通過，有時又阻止它。
科學家將其定義為同時具有正介電常數和負介電常數。
這種罕見的情況會產生「雙曲色散」，意味著光能以類似雙曲線形狀的、異常緊密受限的路徑傳播。
在這種路徑中傳播的光能產生「熱點」現象。這些熱點反過來可以與比通常小得多的物體相互作用，從而使成像系統能夠探測到通常無法分辨的細節。
胡光維團隊的發現令人矚目。他們使用一種成本不到100新幣的簡單晶體——釩酸釔（YVO₄），證明了雖然晶體整體（體相）並非雙曲的，但其表面卻可以呈現雙曲性。
換句話說，在晶體與空氣的介面處，這種材料能夠支持「雙曲表面聲子極化激元」——即所期望的光與原子振動的混合態，而無需晶體內部本身是雙曲的。
研究團隊結合理論建模和掃描近場光學顯微鏡（SNOM）納米成像實驗，共同驗證了這一現象。
溫度調控實現光操控
團隊不僅觀察到了這一現象，更進一步實現了主動控制。結合理論建模和掃描近場光學顯微鏡（SNOM）納米成像實驗，他們證明：
表面是關鍵： 雙曲行為發生在普通晶體的表面。
溫度調控： 通過精確加熱這種現成的晶體，可以調整其介電響應特性（即材料對電場的響應能力），從而控制表面波的行為，使其切換到雙曲模式。
通過這種調控，研究人員成功將光限制在20納米的微小區域內，這比傳統光學方法所能達到的精度縮小了10到20倍。
「我們基本上打破了人們認為是固定的物理規則，」 胡光維解釋道，
「我們已經證明，材料的表面特性可以與其體相特性截然不同，並且可以主動操縱這些表面特性。」
廣闊的應用前景
這項突破性發現的影響深遠：
革命性成像： 可應用於觀察納米級結構，實現前所未有的清晰度（如觀察細胞內部結構）。
先進傳感： 為早期疾病診斷（如癌症、神經系統疾病）提供新工具。
半導體檢測： 實現近原子尺度的半導體晶片缺陷檢查。
光學計算： 推動下一代基於光的信息處理技術發展。
聯合研究員王岐捷展望道：「在電子產品中，小型化帶來了更強大、更便宜的設備。我們正在將相同的原理應用於光學技術。
想像一下，醫學成像可以以前所未有的清晰度看到細胞結構，或者可以在近原子尺度上檢查半導體晶片——這就是這項研究的潛力。」
王岐捷教授站在南洋理工大學工程學院外。
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