在追求更小、更快、更高效的信息技术进程中，光子芯片被视为下一代信息处理的重要平台。然而，要在芯片尺度上实现对光的精确调控，尤其是偏振态的高效控制，仍需依赖具有强光学各向异性的功能材料。低维材料中各向异性的化学键和结构基元，为设计本征光学各向异性更强的材料提供了新思路。但目前传统晶体和常见低维材料的面内双折射率普遍有限，难以满足集成光子器件的小型化需求。研究表明，一维链状结构可有效打破结构对称性，从而显著增强光学各向异性。然而，链间耦合等因素使得获得高度有序的一维单晶结构仍面临挑战。

近日，beat365在线体育app材料人工智能研究中心王佳宏研究员课题组，联合芬兰阿尔托大学、中国科学院物理所、苏州实验室等机构的研究人员，首次解析了一种全新的一维单质磷同素异形体——波浪管状磷（wavy-tube phosphorus, wtP）。该材料在可见光至近红外波段展现出高达0.95的双折射率，远超传统晶体和大多数低维材料，为高性能片上偏振光学器件的发展提供了全新的材料平台。该成果以"Strong optical anisotropy in one-dimensional phosphorus wavy tubes"为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

攻克数十年结构难题，首次解析管状结构。研究团队通过改进的化学气相传输法，利用微量金属锡诱导，成功制备出百微米尺寸的高质量 wtP 单晶（Type-II 红磷）。结合单晶 X 射线衍射和像差校正扫描透射电子显微镜，研究人员首次完整解析了其精确的原子结构：wtP单胞中含有360个原子，每30个原子构成一条波浪形磷原子管，单胞中12条准一维原子管彼此周期性平行排列，形成独特的单斜晶格结构。这一成果解决了自 1947 年发现以来 Type-II 红磷精确晶体结构长期悬而未决的科学问题（图1）。

一维结构基元降低对称性，电子定向局域化。wtP 最显著的特征在于其由相互独立的准一维磷原子管构成。相邻波浪状原子管之间不存在明显的共价键连接，仅通过较弱相互作用耦合，使得体系呈现明显的准一维结构特征并显著降低晶体结构对称性。理论计算与电子局域函数分析表明，该结构使磷原子的 3p 轨道电子沿特定方向高度局域化，为产生强光学各向异性奠定了电子结构基础（图2c,d）。不同于依赖重元素或复杂激子效应的传统机制，单一元素体系中 p 轨道主导的光电特性为理解光学晶体性质提供了新的模型体系。

发现可见光区巨大双折射，性能显著领先。光谱椭偏仪测量结果显示，wtP 在 450 nm 波长处的面内双折射值（Δn）高达约 0.95，在 600 nm 和 800 nm 处也分别达到 0.75 和 0.58。该性能显著高于多数传统光学晶体（如方解石，Δn≈0.17），也优于此前报道的大多数低维各向异性材料（图2）。同时，该材料表现出强烈的方向依赖光学响应，其拉曼散射、光致发光和二次谐波产生信号强度均随入射光偏振方向发生显著变化，展现出在偏振敏感光子器件中的重要应用潜力。

材智中心围绕黑磷等单质磷材料的合成与应用长期布局，是实现黑磷气相法量产、二维黑磷表面修饰（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64 (38), e202508454）、纤维磷宏量制备（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (34), 14383-14387）、紫磷片上生长（Small 2025, 20 (30), 2310276）、单质磷晶体溶剂热合成（Chem. Eng. J. 2025,505, 159566）之后的又一突破。

beat365在线体育app材料所材料人工智能研究中心王佳宏研究员、喻学锋研究员、芬兰阿尔托大学孙志培教授、苏州实验室丁峰教授、陕西科技大学丁利苹教授为本文通讯作者，中国科学院深圳先进院博士后张帅和物理所博士生刘兆龙为本文第一作者，深圳先进院为第一单位。该工作还得到中国科学院物理所金士锋研究员、南方科技大学陈晓龙教授的重要支持与指导。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技计划等项目支持。

图1. 示意图对比了黑磷（二维层状）、Hittorf磷（垂直键合的直管）、纤维磷（水平键合的直管）与本研究wtP（平行独立波浪状管）的结构差异；揭示了基元结构的维度变化和键合方式是性能突破的结构根源。

图2 性能数据图显示，wtP（红色数据点）的双折射值在可见光区远超氟化镁、方解石、二氧化钛等传统材料，以及氮化硼、黑磷等二维材料。