偏振是光的重要特性之一，广泛应用于显示器（LED、LCD、3D电影）、摄影以及卫星与天线等技术领域。对光偏振进行调控，有助于增强通信信号、提升成像质量，并获取隐藏细节或实现3D成像等非常规成像模式。

波片是常用的偏振调控光学元件，通常由石英、方解石或聚合物等晶体材料制成，并依赖反复抛光以获得超光滑表面，从而实现高精度的偏振控制。随着器件小型化需求上升，传统波片在制造端面临挑战：当晶体厚度缩减至亚毫米级，工业抛光在维持高精度标准方面难度显著增加，成本也随之上升。

在光学系统与集成光子学不断复杂化的背景下，业界希望在更小空间内集成数百至数千个光学元件，上述制造瓶颈更为突出。研究人员指出，二维材料因可薄至数个原子层且具备原子级平整表面，被视为应对该问题的潜在路径。尽管二维材料已在热管理、电子学和机械工程等领域逐步进入商业应用，但其在光学器件中的应用仍相对有限。

据研究团队在《自然通讯》发表的论文，他们利用新型二维材料氧氯化铌（NbOCl2）的显著光学各向异性，构建出超薄四分之一波片（QWP），并称其性能可与商业体块波片相当。研究人员介绍，氧氯化铌的晶体结构因原子排列存在固有畸变而呈低对称性，使其与入射光相互作用时表现出各向异性。

研究显示，氧氯化铌样品可制备至几十至几百纳米厚，同时保持超光滑表面，从而避免传统波片晶体制造中对抛光工艺的依赖。团队首先通过基础表征确认了材料的光学各向异性与低表面粗糙度，并观察到光学光谱会随偏振方向变化而演变，据此确定了波片工作的最佳波长范围。

在对不同厚度样品进行系统研究后，团队发现各厚度对应不同的最佳工作波段。例如，厚度为269纳米的样品在614纳米波长下表现最佳，而厚度为374纳米的样品在500纳米波长下效果较好。研究人员据此表示，同一种材料可通过厚度调节实现多种波片设计，分别在各自波段工作，从而覆盖更宽的波长范围。

研究还报告了一款厚度为269纳米的功能性四分之一波片，并称其为“创纪录”的超薄器件。团队认为，这使氧氯化铌成为亚波长尺度、高保真偏振光学的潜在平台，并为二维光学与光子技术中实现芯片级偏振控制提供了可扩展路径。

该项目主要通讯作者、来自新加坡国立大学物理系的Poh Eng Tuan博士表示，相关结果可能开启一系列由具光学各向异性的二维材料制成的超薄光学器件研究，并指出仍有多种光学元件与功能尚未被二维材料实现，未来或可组合成由超薄材料构建的完整光学系统或集成光子电路。

上述内容来自Science X Dialog栏目，研究人员在该平台介绍其已发表研究成果。