撰稿 | 楊向飛（北京大學，博士生）

掌控光？聽起來真是匪夷所思。但事實上，日常生活中我們戴個墨鏡、涂涂防曬、開關窗簾等行為，在不經意間就實現了對光的控制。

這些案例可能太過樸素了，我舉一個高級一點的例子：光的本質是電磁波，它有一個基本性質叫作光的偏振（名詞解釋>），描述了光波的振動方向（如圖1所示）。

圖1：光的偏振方向示意圖（圖源：維基共享資源）

不妨設想一個場景：在波濤洶涌的大海上，一艘小船一邊艱難地前進，一邊上下顛簸。為何船會上下顛簸呢？就是因為水波（與光波類似）存在垂直方向的偏振。光波的不同之處在于其偏振方向可以是任意角度，換句話說，如果未來有一天這艘小船可以馭光而行，那么它就不只會上下顛簸了，還可能會螺旋式顛簸哩！

偏振是一個很有用的性質，通過它可以對光進行調控。例如，計算器的顯示就借助了光的偏振：偏振光被阻擋的地方看起來是黑色的，沒有被阻擋的地方則較亮（見圖2）。

圖2：計算器顯示利用了光的偏振性質。（圖源：維基共享資源）

同樣，手機或電腦屏幕顯示功能的實現也離不開光學偏振的調控。顯示器表面有一層偏振膜，可以將人眼無法識別的偏振光轉換為可識別的顏色及圖像。如果去掉這個偏振膜，我們就只能看到背景光的白色。

最近，美國加州理工學院的Harry Atwater院士團隊及其合作者在三個原子層厚度的黑磷材料中實現了有史以來最精確的光學偏振調控。相關研究發表在Science，題目為“Broadband electro-optic polarization conversion with atomically thin black phosphorus”。

文中的三原子層材料由黑磷構成，它在許多方面與石墨或石墨烯相似，都具有層狀結構。但是石墨烯的層是完全平坦的，而黑磷的層存在褶皺，就像燈芯絨布料的紋理（見圖3）。

圖3：與黑磷結構類似的燈芯絨布料（圖源：維基共享資源）

這種特殊的晶體結構使黑磷具有顯著的光學各向異性。即偏振光沿著不同方向（即垂直或沿著褶皺）入射時，與黑磷的相互作用也不相同。就好像我們用手沿著燈芯絨紋路和垂直紋路方向滑動會感受到不同的作用力一樣。

很多材料都具有光學偏振性，但是僅僅有這個性質還不夠。黑磷的獨到之處在于它是一種半導體材料，正如由硅制成的微型結構可以控制微芯片中的電流一樣，由黑磷制成的結構可以在電信號施加到它們身上時控制光的偏振（見圖4）。

圖4：三原子層厚的黑磷制成的小元件結構示意圖（圖源：Science）

如果進一步把這些小元件組成一個陣列，每一個小元件都可以把偏振轉換成不同的反射偏振狀態，合起來就可以實現顯示效果。

與傳統的液晶顯示器相比，黑磷陣列的“像素”在尺寸上要小20倍，對輸入的響應速度卻要快100萬倍。

我們在網上看電影或閱讀文章可能用不到這樣的速度，但它還可能會給電信帶來一場革命。在電信設備中，光信號通過光纖傳輸，不同信號之間的相互干擾會限制傳輸信號的數量。而基于黑磷薄層的電信設備可以調節每個信號的偏振，避免相互干擾，有利于提高光纖電纜數據傳輸量。

這項技術還可能為基于光的Wi-Fi替代技術奠定基礎，該領域的研究人員將其稱為Li-Fi（名詞解釋>），即通過自由空間中的光線實現網絡信號的傳輸。也許在將來的某一天，你悠閑地坐在咖啡廳里，晨曦透過窗戶照在你面前的太陽能筆記本電腦上，一邊給它供電，一邊給它供網……

論文信息：

Biswas et al., Science 374, 448–453 (2021)

DOI：10.1126/science.abj7053

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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