四川大学科研团队在量子纳米光子学领域取得重要研究进展

【蜂耘网 激光光学】近日，四川大学物理学院李志强教授团队与合作者在《Science Advances》期刊上发表题为“Gradient polaritonic surface with space-variant switchable light-matter interactions in 2D moiré superlattices”的研究论文。该研究首次发现了通过渐变二维体系对纳米光进行开关与调控的新机制，为新型纳米光子技术的发展提供了重要科学支撑，并为下一代超小型多功能光子芯片的研发开辟了全新途径。四川大学是该论文的第一完成单位。

量子科技是当今世界的重要战略科技方向，而光子技术则是这一领域的核心驱动力之一。如果我们将光子作为信息的载体，把它们集成在一个小小的芯片上并进行纳米尺度的精准操控，信息处理能力就能够在速度和功能上迎来质的飞跃。这种光子芯片堪称一个“超级光子大脑”，与现有的信息处理技术相比，其性能突破将如同智能手机之于二十年前的翻盖手机，产生跨越式发展，将在医学制药、先进制造、人工智能、量子计算等领域催生革命性创新，也将深刻改变人类生活的方方面面。然而，如何在纳米尺度对光进行低损耗的精确控制，一直是科学界极具挑战的难题。

在本论文中，研究人员首次在二维材料中发现了一种空间渐变的多功能光子平台，这是一种具有空间不均匀光学响应的超薄介质，通过二维材料中光子与物质耦合产生的准粒子（即极化激元），能够把光压缩至纳米尺度从而进行精确调控。相比传统调控技术，这种新型光子平台具有损耗低、尺寸小和光压缩能力强等巨大优势，而且能够实现许多前所未有的尖端纳米光子学功能，例如原子厚度薄层中的变换光学、波前工程等，为下一代光子芯片的研发及广泛应用提供了全新视角和方法。

图1.通过莫尔畴壁应变方向实现纳米光的开关操作与连续调控

该研究的核心创新点在于研究人员在堆叠二维材料形成的莫尔超晶格中发现了一种崭新的纳米光调控机制。转角双层石墨烯中存在具有不同堆叠方式的区域，就好像国际象棋棋盘的黑白区域，相邻区域之间存在边界（即畴壁）。研究人员发现，通过改变畴壁的局部应变方向，能够实现极化激元与畴壁相互作用的开关操作和连续调控（图1），这一现象源于畴壁中的一维（拓扑）量子态随着应变方向改变而发生的巨大变化。他们进一步展示了莫尔畴壁超晶格可以构成天然的渐变极化激元表面，畴壁网络的空间变化可以在约10纳米（十万分之一毫米）的尺度实现光与物质相互作用的空间开关与空间调控，进而实现极化激元波前、相位和传播方向的操控（图2）。

图2.渐变莫尔超晶格对纳米光的空间开关与空间调控

近年来，随着二维畴壁控制技术的快速发展，该研究展示的畴壁超晶格将有望实现集成光子芯片的功能，在纳米尺度对光子进行灵活多样的“可编程”开关和操控。此研究工作为纳米光的量子调控提供了全新方案，将大大推动“莫尔量子光子学”的发展，为新型光子芯片研发及其在上述多个重要领域的应用开辟了全新道路。

四川大学物理学院博士生代珍兵（现为四川师范大学副教授）、南方科技大学博士后凡华为论文的共同第一作者；四川大学物理学院李志强教授与南方科技大学物理系赵悦教授为论文的共同通讯作者。论文合作者还包括美国布法罗大学Vasili Perebeinos教授等。该研究得到了国家自然科学基金委等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adq7445

（蜂耘激光光学网  责任编辑：行云）