文章名稱：Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity

期刊：Nature communications

文章鏈接：https://www.nature。。ｃｏｍ/articles/s41467-025-59942-5

腔量子電動力學（Cavity Quantum Electrodynamics, CQED）作為量子光學與凝聚態(tài)物理的交叉領域，主要探究量子發(fā)射體與受限光場的相互作用機制。當量子發(fā)射體與光學微腔處于強耦合狀態(tài)時，由于腔內(nèi)光子態(tài)密度的局域調(diào)制，發(fā)射體的輻射特性會顯著改變，這一現(xiàn)象被稱為珀塞爾效應（Purcell Effect）。該效應在高效率量子光源制備、超低閾值激光器研發(fā)等領域展現(xiàn)出重要應用價值，是推動量子信息技術發(fā)展的核心基礎之一。近期，北京大學許秀來課題組在《Nature Communications》發(fā)表以“Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity"為題的研究論文，報道了基于莫爾光子晶體納米腔與單個量子點耦合體系的珀塞爾效應實驗研究，為固態(tài)腔量子電動力學的研究提供了新的平臺。

研究團隊在嵌入量子點的砷化鎵板中，通過以特定角度扭曲兩層光子晶體結構，構建了莫爾光子晶體納米腔。這種特殊的層間相互作用導致能帶中形成平帶，其特殊的光學特性實現(xiàn)了高品質(zhì)因子（Q）值、低模式體積和量子點與腔模場之間的大重疊，實驗驗證了基模的Q值約為2000。當單個量子點與腔模共振時，光致發(fā)光強度增強約8.4倍，通過壽命測量證實自發(fā)輻射速率提升至少約3倍以及通過二階關聯(lián)函數(shù)（g2(τ)）測量驗證了單光子發(fā)射特性，測得的g2(0)為0.28 ± 0.10。。研究結果表明，莫爾光子學在實現(xiàn)固態(tài)腔量子電動力學方面具有潛力，為未來的光學量子信息處理提供了可能。

目前尚未有實驗研究將莫爾納米腔與單個量子點耦合的技術，其一是因為在近紅外區(qū)域與量子點相匹配的懸空雙層扭曲結構在制造過程中很容易坍塌；其二為納米腔的模式場主要集中在空氣孔中，阻礙了量子點與模式場之間的有效空間重疊，從而影響了腔體與量子點之間的耦合強度。該研究中，研究人員設計并優(yōu)化了莫爾光子晶體超晶格，如圖1所示。厚度為150 nm的光子晶體板在中心夾著一層InGaAs量子點，它在近紅外波長下作為量子發(fā)射器。圖1c展示了莫爾超晶格結構中不同空間類型納米腔的Px和Py峰的Q值。實驗結果顯示，腔A和腔B的兩個峰的Q值相似，且比腔C和D的峰值高出兩倍。

圖1：莫爾光子晶體納米腔的表征。1a超晶格結構的SEM圖像。1b從腔A（a=310 nm）收集的光致發(fā)光光譜。1c超晶格結構中不同類型的納米腔體產(chǎn)生的兩個分裂峰的平均Q值。1d同一超晶格結構中不同腔體的光致發(fā)光光譜。

通過調(diào)控晶格常數(shù)a和原胞最外層空氣孔位移量δd，可以調(diào)整莫爾光子晶體納米腔的性質(zhì)。隨著a值的增加，腔中心波長發(fā)生紅移，Q值也隨之提高。例如，當δd為0時，a從298 nm增加到314 nm，波長從968 nm紅移至1022 nm，Q值從800提升至1700（圖2f）。當a = 314 nm，δd = 16 nm時，Q值可達到接近2000。

圖2：不同晶格常數(shù)a和原胞最外層空氣孔位移量δd條件下莫爾光子晶體納米腔結構及其基模特性。2a, 莫爾腔結構最外層的示意圖。2b, 不同晶格常數(shù)下莫爾腔結構最外層的SEM放大圖。2c, 不同位移量下莫爾腔結構最外層的SEM放大圖。2d, 2e, 不同晶格常數(shù)、位移量的莫爾腔基模Px，Py的平均波長。2f, 2g, 不同晶格常數(shù)、位移量的莫爾腔基模Px，Py的平均品質(zhì)因子。

為了研究單個量子點與納米腔之間的相互作用，課題組采用15微瓦的低激發(fā)功率對樣品進行泵浦，使量子點和腔體同時出現(xiàn)在光致發(fā)光光譜中。圖3a展示了量子點在不同溫度下穿過納米腔基模時的光致發(fā)光光譜。圖3b顯示了量子點的熒光強度隨量子點-腔模失諧能變化的關系圖。當量子點與納米腔模式共振時，其量子點熒光強度可提高~8.4倍。圖3c顯示了量子點在不同條件下的熒光衰減數(shù)據(jù)。通過壽命測量證實自發(fā)輻射速率提升至少約3倍。圖3e通過二階關聯(lián)函數(shù)（g2）測量結果，展示了將量子點與納米腔耦合后，單光子發(fā)射效率的顯著提升。

圖3 與納米光子晶體納米腔耦合的單量子點的珀塞爾效應和單光子發(fā)射特性。3a不同溫度下量子點（QD）在納米光子晶體納米腔中（a=310nm，δd=16nm）的PL光譜測量。3b, 量子點的熒光強度隨量子點-腔模失諧能變化的關系圖。3c, 量子點在體材料,與腔模共振,非共振以及系統(tǒng)儀器響應的衰減曲線。3e, 量子點發(fā)射的單光子二階關聯(lián)函數(shù)測量。

綜上所述，課題組通過設計成功制造了扭轉角為6.01°的莫爾光子晶體超晶格結構。通過調(diào)整單層光子晶體的填充比例和納米腔最外層空氣孔的相對距離，實驗上實現(xiàn)了Q值約為2000的莫爾腔，當單個量子點與腔模共振時，光致發(fā)光強度增強約8.4倍，通過壽命測量證實自發(fā)輻射速率提升至少約3倍以及通過二階關聯(lián)函數(shù)（g2(τ)）測量驗證了單光子發(fā)射特性，測得的g2(0)為0.28 ± 0.10。實驗結果為莫爾光子晶體腔在量子光學領域的應用提供了關鍵實驗支撐。

本研究中，德國 attocube 公司的 attoDRY800 桌面式光學低溫恒溫器作為核心實驗平臺，為量子點與納米腔耦合體系的低溫光學測量提供了關鍵技術保障。該設備為干式閉循環(huán)低溫恒溫器，系統(tǒng)冷頭高度耦合到光學平臺內(nèi)，可提供4K到320K的變溫環(huán)境。設備具有極低的震動噪音（Z方向噪音小于5 nm），為國內(nèi)外課題組廣泛應用于量子通信、量子點發(fā)光、半導體材料、二維材料等研究領域?；赼ttoDRY800系統(tǒng)，用戶可以進行拉曼光譜、熒光光譜等實驗。具有超低震動水平，可以長時間穩(wěn)定測量量子點與納米光子晶體材料的光學光譜性質(zhì)。

圖4. attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器- 可配低溫物鏡，低溫位移臺以及高頻接線等定制配置。

attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器已經(jīng)在北京大學，中國科學院半導體研究所，國家納米科學中心，南京大學，武漢大學，華東師范大學等單位順利運行，助力中國科學家的科學研究。圖5為常見真空罩設計，其內(nèi)部可配置低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺。如果有定制實驗需要可聯(lián)系廠家溝通設計（例如透射光譜與open cavity等實驗）。

圖5：常見配置-真空罩內(nèi)置低溫物鏡與低溫位移臺。

attoDRY800主要技術特點：

• 光學平臺和閉式循環(huán)低溫恒溫器無縫結合

• 提供無光學平臺配置：全新一代獨立光學低溫恒溫器attoDRY800xs

• 寬溫度范圍（3.8 K…300 K），自動溫度控制

• 用戶友好、多功能、模塊化

• 與低溫消色差物鏡兼容，數(shù)值孔徑大于0.8

• 可定制真空罩，標準樣品空間：75mm直徑。

• 與典型光學桌的高度相同

• 包含36根直流電線

圖6：全新一代獨立光學低溫恒溫器attoDRY800xs- 冷頭與光學面包板高度集成。

attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器 部分發(fā)表文獻：

• Interplay between light and heavy electron bands in magic-angle twisted bilayer graphene Nature Physics  12, 5495 (2025)

• B. Evrard et al. ac Stark Spectroscopy of Interactions between Moir′e Excitons and Polarons.Phys. Rev. X 15, 021002 , 2025

• Kazuhiro Kuruma et al.Controlling interactions between high-frequency phonons and single quantum systems using phononic crystals. Nature Physics 21,77 (2025)

• Matteo Barbone et al. Breakdown of the Static Dielectric Screening Approximation of Coulomb Interactions in Atomically Thin Semiconductors. ACS Nano 2025, 19, 4269?4278

• Xiulai XU et al. Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity. Nature Communications | (2025) 16:4634.

• Battulga Munkhbat et al. High-purity and stable single-photon emission in bilayer WSe₂ via phonon-assisted excitation. Communications Physics 8, 158 (2025)

• N.Y.Yao et al. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature 627, 73–79 (2024)

• Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr2S4 Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

• Yohannes Abate et al. Sulfur Vacancy Related Optical Transitions in Graded Alloys of MoxW1-xS2 Monolayers. Adv. Optical Mater. 2024, 2302326

• Pablo P. Boix et al. Perovskite Thin Single Crystal for a High Performance and Long Endurance Memristor. Adv. Electron. Mater. 2024, 2300475

attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器 部分國內(nèi)用戶單位：