强磁场下的“极化激元全景图”，强磁场低温光学平台助力北京大学团队成果登 Phys. Rev. Lett.

发布日期：2026-09-10

近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心刘文静、龚旗煌团队，联合华南师范大学陈祖信团队，依托 Quantum Design 超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool，在范德瓦尔斯磁性半导体 CrSBr 中实现了双曲激子极化激元的远场全景观测与多维度主动调控。相关成果以“Panoramic Observation of Hyperbolic Exciton Polaritons in CrSBr”为题，发表于国际物理学期刊《Physical Review Letters》[137, 056902 (2026)]，论文第一作者为北京大学物理学院2025级博士生张玮喆，共同通讯作者为刘文静助理教授与陈祖信教授。

一次“看见不可见”的突破

双曲极化激元因其开放的双曲型等频面而具有超大动量与定向传播特性，被视为突破衍射极限、实现亚波长光子集成的理想载体。然而，自由空间光与双曲模式之间存在巨大的动量失配，这类模式长期被“囚禁”在近场之中，难以用常规远场光学手段直接激发和观测。

图1、CrSBr中双曲激子极化激元的远场观测

研究团队另辟蹊径，在 CrSBr 薄膜表面制备多组一维金属光栅，为入射光提供额外的面内动量补偿，并结合偏振与角分辨反射光谱技术，首次在远场直接读取了泄露模式、类横电模式与类横磁模式等多类双曲激子极化激元模式族的完整信息，实验探测的最高面内动量达到 5.6 倍真空波矢。在此基础上，团队沿面外方向施加磁场，驱动 CrSBr 从反铁磁相过渡至铁磁相，实现了双曲模式能量最高约 15 meV 的连续红移；升高温度则可使其等频线从开放的双曲型轮廓演化为闭合曲线，完成“双曲—椭圆”色散相变。磁与温度两种调控手段互为补充，赋予了该体系突出的调谐能力。

图2、极化激元模式等频面的计算与观测

OptiCool：让“低温 + 强磁场 + 远场光谱”一站式实现

这项研究的实验核心，是在低温与强磁场条件下开展高精度的角分辨磁光光谱测量，Quantum Design 超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool为此提供了关键硬件支撑。OptiCool 是 Quantum Design 汇集 40 余年温度与磁场自动化控制经验打造的全干式磁光低温恒温器，其一系列特性与本项研究的需求高度契合：

• 精准控温，全温区覆盖：1.7 K–350 K 连续控温，为观测 CrSBr 双曲模式随温度的演化、捕捉色散相变提供了稳定可靠的低温环境；

• 一体化强磁场：定制双锥型劈裂超导磁体可提供最高 ±7 T 的磁场，将样品置于光学环境中心，轻松满足研究团队沿面外方向连续扫描磁场（0–2.5 T）的需求；

• 全开放光学通路：7 个侧面光学窗口与 1 个顶部大数值孔径窗口，让远场角分辨光谱的光路布置畅通无阻，样品不再“深埋”于低温恒温器深处；

• 超低振动：峰峰值小于 10 nm 的振动水平，保障了微弱光谱信号与偏振态测量的稳定性与可重复性；

• 无液氦、全自动：无需消耗液氦即可全自动降温、变温、变场，让研究者把精力集中于科学问题本身。

对于同时需要低温、磁场与光学测量的前沿实验而言，OptiCool 将三者集成于同一平台，显著降低了多设备系统集成难度与实验门槛，使科研人员得以高效、系统地完成海量变温变场光谱数据的采集。

携手 OptiCool，见证更多学术突破

从双曲极化激元的全景成像，到磁场与温度的连续调控，北京大学团队的工作建立了一种普适的远场动量空间成像方法论，可推广至更宽光谱范围及其他各向异性范德瓦尔斯材料，为光—物质相互作用研究和可重构纳米光子器件奠定了物理基础。

一台好的仪器，是推动科学发现的加速器。OptiCool 正以其无液氦、强磁场、全开放光学设计的一体化能力，帮助全球科研用户在凝聚态物理、磁光光谱、低温光谱成像等领域不断取得优异的学术成果。我们期待与更多科研团队携手，在探索未知的道路上创造下一个突破。

图3、基于OptiCool的低温强磁场综合光学测量系统