本报北京讯 （记者 张铭） 近日，我国科研团队在微纳光子学与芯片集成领域取得重大突破——成功研制出基于超表面结构的新型光子芯片。这一成果被国际权威期刊《自然·光子学》发表，标志着中国在下一代信息处理核心器件领域迈入世界前沿。该芯片通过亚波长尺度的人工微结构，实现对电磁波相位、振幅、极化的精准操控，有望彻底改变现有电子芯片的物理极限，为6G通信、全息成像、量子计算等领域提供全新解决方案。
什么是“超表面芯片”？
传统芯片依赖电子在半导体中迁移实现计算与传输，随着制程逼近物理极限（如3纳米以下），发热、漏电、量子隧穿效应等问题愈发严峻。超表面芯片则另辟蹊径——利用纳米级“人工原子”阵列（如硅或金属纳米柱），在二维平面上构建亚波长厚度的超薄光学元件。当光波通过时，这些结构能像“编程”一样重塑波前，实现传统透镜、棱镜、光栅等宏观器件数十倍甚至数百倍的性能。
“如果把传统光学器件比作笨重的机械表，超表面芯片就是一块集成上千个微型齿轮的精密石英表。”项目首席科学家、中国科学院某研究所研究员王建国（化名）形象地解释道。更关键的是，超表面结构可与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，意味着这类芯片能用现有成熟产线制造，成本可控且易于大规模量产。
三大核心技术突破
根据研究团队披露的信息，此次研发的超表面芯片实现了三大世界级创新：
1. 超高集成度与带宽
传统超表面通常仅能工作在单一波长或窄带范围，而新芯片通过复合纳米结构设计，在可见光到近红外波段实现了超宽带响应（带宽达400纳米），同时将单个像素尺寸缩小至150纳米，单位面积集成度较国际同类产品提升10倍。
2. 动态可重构能力
此前大部分超表面器件功能固定，无法实时调控。该团队引入相变材料（如锗锑碲合金）与微加热电极阵列，使每个“人工原子”能在数十纳秒内完成状态切换，从而实现对光束的扫描、聚焦、分束等动态控制。这一特性对激光雷达（LiDAR）和自动驾驶至关重要。
3. 低损耗、高效率
通过优化纳米结构形状（采用非对称十字形和“雪花”形拓扑），芯片内部光波散射损耗降低至传统结构的1/5，能量转换效率突破85%，远超当前国际纪录。
应用前景：从6G到太空
“超表面芯片不仅是实验室里的‘黑科技’，它有望像CPU改变计算一样，重塑整个光电信息产业。”工信部电子信息司相关负责人在《科技日报》专题报道中指出。基于这一技术，多个关键领域将迎来爆发：
- 6G通信：利用超表面芯片的波束赋形能力，基站天线可集成数千个独立控制单元，实现太赫兹频段的高速定向传输，理论速率可达每秒1Tbit（万亿比特），满足全息视频、远程手术等需求。
- 超级成像：传统显微镜受限于衍射极限，而超表面芯片能以百纳米级分辨率同时捕捉多光谱信息，适用于生物活细胞实时观察、半导体缺陷检测等场景。华为日前已宣布将探索将该技术用于手机多镜头模组。
- 智能感知：采用超表面芯片的全固态激光雷达，体积可缩小至指甲盖大小，成本降低90%，且无机械旋转部件，寿命长达10万小时以上。多家新能源汽车厂商已接洽技术转化事宜。
- 量子与国防：超表面还能生成并操控“涡旋光束”，这种具有轨道角动量的光在量子加密通信中可携带海量信息；同时，其超薄特性使雷达隐身涂层、红外对抗等军事应用成为可能。
国际竞争与未来挑战
目前，美国哈佛大学Capasso团队、加州理工学院Atwater团队以及日本NTT公司均在超表面领域投入巨大，但多停留在原理验证阶段。中国团队的突破在于率先实现了晶圆级（8英寸）工艺制备，单片芯片集成超10亿个人工原子，良品率超99.2%。不过，专家指出，要实现手机、电脑等消费级应用，还需解决与现有电子芯片的异质集成、热管理以及驱动电路优化等问题。预计首批商用产品将在2027年左右问世。
“这不是一次简单的迭代，而是从电子到光子的范式转移。”王建国研究员在采访结尾强调。当光取代电子成为信息载体，芯片的能耗、速度、带宽瓶颈将迎刃而解。中国科学家用纳米尺度的“画笔”，正在描绘一个更智能、更高速、更绿色的未来。