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(dòng)力學(xué)（Cavity Quantum Electrodynamics, CQED）作為量子光學(xué)與凝聚態(tài)物理的交叉領(lǐng)域，主要探究量子發(fā)射體與受限光場(chǎng)的相互作用機(jī)制。當(dāng)量子發(fā)射體與光學(xué)微腔處于強(qiáng)耦合狀態(tài)時(shí)，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(huì)顯著改變，這一現(xiàn)象被稱為珀塞爾效應(yīng)（Purcell Effect）。該效應(yīng)在高效率量子光源制備、超低閾值激光器研發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值，是推動(dòng)量子信息技術(shù)發(fā)展的核心基礎(chǔ)之一。近期，北京大學(xué)許秀來(lái)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(bào)道了基于莫爾光子晶體納米腔與單個(gè)量子點(diǎn)耦合體系的珀塞爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，為固態(tài)腔量子電動(dòng)力學(xué)的研究提供了新的平臺(tái)。

研究團(tuán)隊(duì)在嵌入量子點(diǎn)的砷化鎵板中，通過(guò)以特定角度扭曲兩層光子晶體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了莫爾光子晶體納米腔。這種特殊的層間相互作用導(dǎo)致能帶中形成平帶，其特殊的光學(xué)特性實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因子（Q）值、低模式體積和量子點(diǎn)與腔模場(chǎng)之間的大重疊，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基模的Q值約為2000。當(dāng)單個(gè)量子點(diǎn)與腔模共振時(shí)，光致發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)約8.4倍，通過(guò)壽命測(cè)量證實(shí)自發(fā)輻射速率提升至少約3倍以及通過(guò)二階關(guān)聯(lián)函數(shù)（g2(τ)）測(cè)量驗(yàn)證了單光子發(fā)射特性，測(cè)得的g2(0)為0.28 ± 0.10。。研究結(jié)果表明，莫爾光子學(xué)在實(shí)現(xiàn)固態(tài)腔量子電動(dòng)力學(xué)方面具有潛力，為未來(lái)的光學(xué)量子信息處理提供了可能。

目前尚未有實(shí)驗(yàn)研究將莫爾納米腔與單個(gè)量子點(diǎn)耦合的技術(shù)，其一是因?yàn)樵诮t外區(qū)域與量子點(diǎn)相匹配的懸空雙層扭曲結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中很容易坍塌；其二為納米腔的模式場(chǎng)主要集中在空氣孔中，阻礙了量子點(diǎn)與模式場(chǎng)之間的有效空間重疊，從而影響了腔體與量子點(diǎn)之間的耦合強(qiáng)度。該研究中，研究人員設(shè)計(jì)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(diǎn)，它在近紅外波長(zhǎng)下作為量子發(fā)射器。圖1c展示了莫爾超晶格結(jié)構(gòu)中不同空間類型納米腔的Px和Py峰的Q值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腔A和腔B的兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中不同類型的納米腔體產(chǎn)生的兩個(gè)分裂峰的平均Q值。1d同一超晶格結(jié)構(gòu)中不同腔體的光致發(fā)光光譜。

通過(guò)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(zhǎng)發(fā)生紅移，Q值也隨之提高。例如，當(dāng)δd為0時(shí)，a從298 nm增加到314 nm，波長(zhǎng)從968 nm紅移至1022 nm，Q值從800提升至1700（圖2f）。當(dāng)a = 314 nm，δd = 16 nm時(shí)，Q值可達(dá)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(jié)構(gòu)及其基模特性。2a, 莫爾腔結(jié)構(gòu)最外層的示意圖。2b, 不同晶格常數(shù)下莫爾腔結(jié)構(gòu)最外層的SEM放大圖。2c, 不同位移量下莫爾腔結(jié)構(gòu)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(zhǎng)。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(gè)量子點(diǎn)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(duì)樣品進(jìn)行泵浦，使量子點(diǎn)和腔體同時(shí)出現(xiàn)在光致發(fā)光光譜中。圖3a展示了量子點(diǎn)在不同溫度下穿過(guò)納米腔基模時(shí)的光致發(fā)光光譜。圖3b顯示了量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨量子點(diǎn)-腔模失諧能變化的關(guān)系圖。當(dāng)量子點(diǎn)與納米腔模式共振時(shí)，其量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度可提高~8.4倍。圖3c顯示了量子點(diǎn)在不同條件下的熒光衰減數(shù)據(jù)。通過(guò)壽命測(cè)量證實(shí)自發(fā)輻射速率提升至少約3倍。圖3e通過(guò)二階關(guān)聯(lián)函數(shù)（g2）測(cè)量結(jié)果，展示了將量子點(diǎn)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(diǎn)的珀塞爾效應(yīng)和單光子發(fā)射特性。3a不同溫度下量子點(diǎn)（QD）在納米光子晶體納米腔中（a=310nm，δd=16nm）的PL光譜測(cè)量。3b, 量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨量子點(diǎn)-腔模失諧能變化的關(guān)系圖。3c, 量子點(diǎn)在體材料,與腔模共振,非共振以及系統(tǒng)儀器響應(yīng)的衰減曲線。3e, 量子點(diǎn)發(fā)射的單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)測(cè)量。

綜上所述，課題組通過(guò)設(shè)計(jì)成功制造了扭轉(zhuǎn)角為6.01°的莫爾光子晶體超晶格結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(duì)距離，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了Q值約為2000的莫爾腔，當(dāng)單個(gè)量子點(diǎn)與腔模共振時(shí)，光致發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)約8.4倍，通過(guò)壽命測(cè)量證實(shí)自發(fā)輻射速率提升至少約3倍以及通過(guò)二階關(guān)聯(lián)函數(shù)（g2(τ)）測(cè)量驗(yàn)證了單光子發(fā)射特性，測(cè)得的g2(0)為0.28 ± 0.10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為莫爾光子晶體腔在量子光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)支撐。

本研究中，德國(guó) attocube 公司的 attoDRY800 桌面式光學(xué)低溫恒溫器作為核心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為量子點(diǎn)與納米腔耦合體系的低溫光學(xué)測(cè)量提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。該設(shè)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(xué)平臺(tái)內(nèi)，可提供4K到320K的變溫環(huán)境。設(shè)備具有極低的震動(dòng)噪音（Z方向噪音小于5 nm），為國(guó)內(nèi)外課題組廣泛應(yīng)用于量子通信、量子點(diǎn)發(fā)光、半導(dǎo)體材料、二維材料等研究領(lǐng)域?；赼ttoDRY800系統(tǒng)，用戶可以進(jìn)行拉曼光譜、熒光光譜等實(shí)驗(yàn)。具有超低震動(dòng)水平，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量量子點(diǎn)與納米光子晶體材料的光學(xué)光譜性質(zhì)。

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

attoDRY800桌面式光學(xué)低溫恒溫器已經(jīng)在北京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，國(guó)家納米科學(xué)中心，南京大學(xué)，武漢大學(xué)，華東師范大學(xué)等單位順利運(yùn)行，助力中國(guó)科學(xué)家的科學(xué)研究。圖5為常見真空罩設(shè)計(jì)，其內(nèi)部可配置低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺(tái)。如果有定制實(shí)驗(yàn)需要可聯(lián)系廠家溝通設(shè)計(jì)（例如透射光譜與open cavity等實(shí)驗(yàn)）。

圖5：常見配置-真空罩內(nèi)置低溫物鏡與低溫位移臺(tái)。

attoDRY800主要技術(shù)特點(diǎn)：

• 光學(xué)平臺(tái)和閉式循環(huán)低溫恒溫器無(wú)縫結(jié)合

• 提供無(wú)光學(xué)平臺(tái)配置：全新一代獨(dú)立光學(xué)低溫恒溫器attoDRY800xs

• 寬溫度范圍（3.8 K…300 K），自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)樣品空間：75mm直徑。

• 與典型光學(xué)桌的高度相同

• 包含36根直流電線

圖6：全新一代獨(dú)立光學(xué)低溫恒溫器attoDRY800xs- 冷頭與光學(xué)面包板高度集成。

attoDRY800桌面式光學(xué)低溫恒溫器 部分發(fā)表文獻(xiàn)：

• 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(xué)低溫恒溫器 部分國(guó)內(nèi)用戶單位：