光波在常见介质中传播时一般具有封闭的球状或椭球状等频面。但当材料的相对介电张量分量异号时，其能够支持具有双曲型等频面的双曲色散模式传播。双曲色散模式因其开放的双曲型等频面带来的超大动量与定向传播特性，被视为突破衍射极限、实现亚波长信息集成的重要载体。然而，受限于自由空间光场与双曲色散模式之间巨大的动量失配，这类模式长期以来难以通过常规远场光学手段直接激发和观测，制约了对其色散、偏振及调控特性的系统研究。北京大学物理学院现代光学研究所、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，利用一维光栅辅助的角分辨远场光谱技术，实现了对近红外天然双曲色散材料CrSBr中双曲激子极化激元（Hyperbolic exciton polaritons, HEPs）的全景动量空间观测，并展示了通过外磁场和温度对双曲模式的灵活调控能力。

CrSBr在近红外波段具有一个较强的线偏振激子共振能级，使得其在该波段的两个面内主轴介电常数异号，从而可以支持双曲激子极化激元模式。为了观测这些较大面内动量的双曲模式，研究团队在CrSBr薄膜表面制备了多组一维金属光栅，利用光栅的周期性结构为入射光提供额外的面内动量补偿，在常规远场反射光谱中直接读取了原本被“囚禁”在近场的双曲模式信息。通过系统调控光栅周期和取向，团队实现了对泄露模式、类横电模式和类横磁模式等多类双曲激子极化激元模式族的全景式探测，实验获取的最高面内动量达到5.6倍真空波矢。

在实现远场全景观测的基础上，研究团队进一步展示了CrSBr中双曲激子极化激元优异的可调性。一方面，沿面外方向施加磁场可使CrSBr从反铁磁相过渡至铁磁相，从而使得双曲激子极化激元模式发生能量红移；另一方面，升高温度可改变CrSBr沿激子偏振方向主轴相对介电常数的符号，进而驱动CrSBr中激子极化激元模式的等频线从开放的双曲型轮廓演化为闭合曲线，实现了双曲色散到椭圆色散的相变。磁与温度两种调控手段互为补充，共同赋予了CrSBr 中双曲激子极化激元体系突出的调谐能力。

图2、利用磁场和温度调控双曲激子极化激元

该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中的双曲极化激元研究，同时展示了CrSBr 中双曲激子极化激元的突出调谐能力，为其作为光-物质相互作用平台等应用场景提供了物理基础。

相关成果以"Panoramic observation of hyperbolic exciton polaritons in CrSBr"为题，于近期发表在《Physical Review Letters》。论文第一作者为北京大学物理学院2025级博士生张玮喆。共同通讯作者为北京大学刘文静助理教授和华南师范大学陈祖信教授。上述研究工作得到了国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目及广东省量子科学战略专项等支持。