在現(xiàn)代化信息社會基礎(chǔ)設(shè)施中，小型化激光器發(fā)揮著核心作用。激光器小型化在波長尺度之外的突破為各種應(yīng)用以及極端光學(xué)場定位和激光模式工程中的光物質(zhì)相互作用研究開辟了新的機(jī)會。微型激光器研究的最終目標(biāo)是開發(fā)可重構(gòu)的相干納米激光器陣列，以同時提高信息容量和功能。然而，缺乏適合的物理機(jī)制來重新配置納米激光器腔體阻礙了單腔或固定陣列中納米激光器的演示。
鑒于此，近日來自北京大學(xué)馬仁敏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在Nature上以Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization為題發(fā)表重要文章，提出并展示了基于扭曲光子石墨烯格子中的光學(xué)平帶的莫爾納米激光器陣列，其中從單個納米腔體到可重構(gòu)的納米腔體陣列實現(xiàn)了相干納米激光。研究人員觀察到同步的納米激光器陣列顯示出高空間和光譜相干性，在一系列不同圖案上，包括P、K和U形狀以及漢字“中”和“國”（中文中的“中國”）。此外，該研究團(tuán)隊還能夠操縱納米激光器陣列的發(fā)射方向。這一工作為開發(fā)具有通信、激光雷達(dá)（光探測和測距）、光學(xué)計算和成像等潛在應(yīng)用的可重構(gòu)有源器件奠定了基礎(chǔ)。? ?
圖1. 能夠極化激元激發(fā)的典型范德華（vdW）材料。
圖源：?Nature?624, 282–288 (2023).? ??
莫爾超晶格，作為一種特殊的周期性結(jié)構(gòu)，其形成源于兩個晶格常數(shù)不匹配或發(fā)生扭曲的晶格疊加。這種疊加方式會導(dǎo)致晶格中出現(xiàn)特殊的周期性變化，從而形成一種新的能帶結(jié)構(gòu)。在莫爾超晶格中，能帶結(jié)構(gòu)的特性使得電子、光子和聲子等粒子的運(yùn)動行為受到強(qiáng)烈的影響。
電子學(xué)領(lǐng)域：在電子學(xué)領(lǐng)域，莫爾超晶格的發(fā)現(xiàn)和研究帶來了對電子運(yùn)動行為的新理解。由于莫爾超晶格獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，電子在其中呈現(xiàn)出獨(dú)特的量子態(tài)，這為電子器件的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路。例如，通過調(diào)整莫爾超晶格的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對電子運(yùn)動的有效調(diào)控，從而提高電子器件的性能。? ?
在光子學(xué)領(lǐng)域，莫爾超晶格的出現(xiàn)為光子控制和光子器件的設(shè)計帶來了革命性的突破。由于莫爾超晶格能夠?qū)崿F(xiàn)對光子行為的精細(xì)調(diào)控，這使得光子器件的效率得到了顯著提高。同時，莫爾超晶格在光子晶體、光子集成電路等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
在聲子學(xué)領(lǐng)域，莫爾超晶格對聲子的行為產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。通過對莫爾超晶格的精心設(shè)計，可以實現(xiàn)聲子的有效操控，這對于發(fā)展新型聲學(xué)器件和聲波導(dǎo)具有重要意義。例如，利用莫爾超晶格可以設(shè)計出具有優(yōu)異性能的聲學(xué)濾波器、聲波導(dǎo)和聲子晶體等。
圖2.U型鎖模莫爾納米激光陣列。
圖源：Nature?624, 282–288 (2023).
莫爾超晶格的倒格矢量誘導(dǎo)的層間耦合為操縱布洛赫模式和定制材料屬性提供了一個新的自由度。在電子莫爾超晶格中，已經(jīng)在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到了霍夫施塔特蝴蝶、界面極化子和莫爾激子等新興現(xiàn)象。
特別有趣的是，在魔角扭曲的雙層石墨烯中，層間耦合誘導(dǎo)了平坦帶，其中量子動力學(xué)能量被淬滅。這種現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到導(dǎo)致關(guān)聯(lián)絕緣和超導(dǎo)狀態(tài)。最近在光子莫爾超晶格方面的進(jìn)展也顯示了平坦帶的出現(xiàn)，通過扭曲兩個光子晶格可以操縱系統(tǒng)的屬性。
平坦帶是指周期介質(zhì)中不表現(xiàn)出色散的布洛赫帶。這些帶在實空間中具有基本的緊湊局部狀態(tài)，具有高度的簡并性，不僅存在于帶隙中，而且存在于連續(xù)體中。值得注意的是，這些局部狀態(tài)的簡并性使得它們的任何疊加也可以是系統(tǒng)的靜態(tài)本征態(tài)，為開發(fā)具有出色靈活性的可重構(gòu)光學(xué)設(shè)備提供了前所未有的途徑。
然而，這一顯著特征僅在被動波導(dǎo)系統(tǒng)中得到實現(xiàn)。在主動系統(tǒng)中，平坦帶誘導(dǎo)的定位僅用于在單個莫爾單元細(xì)胞中實現(xiàn)納米激光。與被動系統(tǒng)中的輸入激光束控制不同波導(dǎo)之間的相對相位不同，主動系統(tǒng)中的相位鎖定通過不同激光器之間的模式耦合而自發(fā)出現(xiàn)，這需要精心設(shè)計光腔和精確的實驗實施。
在這篇文章中，研究人員報告了一種新型的莫爾納米激光器陣列，其中可以在主動結(jié)構(gòu)中生成任何所需的圖案，不僅產(chǎn)生激光，而且確保由于動量空間中帶的平坦性，不同激光斑點(diǎn)之間的相位一致。研究人員的研究結(jié)果表明，這種方法為創(chuàng)建能夠進(jìn)行相位鎖定的可重構(gòu)納米激光器陣列提供了一種有效的方法，從而實現(xiàn)了具有不同圖案的陣列之間的同步納米激光器（圖1）。? ?
莫爾納米激光器陣列的一致性通過遠(yuǎn)場模式中的定向發(fā)射和空間解析光譜中的單模激光得到證實。此外，研究人員還展示了莫爾納米激光器陣列中的光束轉(zhuǎn)向，其中發(fā)射方向由納米激光器的空間相對相位控制。
圖3. 莫爾納米激光的制備過程。
圖源：Nature?624, 282–288 (2023).?
為了實現(xiàn)莫爾超晶格中的光子態(tài)的相干控制，研究人員首先構(gòu)造一個基于納米結(jié)構(gòu)莫爾超晶格的光子平坦帶的莫爾納米激光陣列。在該結(jié)構(gòu)中，研究人員引入了兩組具有扭曲角度的光子石墨烯晶格到同一半導(dǎo)體多量子阱（MQWs）的膜中。該膜的厚度為200納米。兩個扭曲的晶格之間的扭曲角度為9.43°。
形成的莫爾超晶格的晶格常數(shù)為3.041微米。莫爾超晶格在實空間中的周期性產(chǎn)生了莫爾倒易格矢量，通過這些格矢量，不同動量的扭曲晶格中的布洛赫?？梢韵嗷ヱ詈?。這種耦合導(dǎo)致莫爾布洛赫模包含不同的波矢量，在實空間中形成局域波函數(shù)，并在能量帶圖中形成平坦帶。這與正常的光子晶體形成鮮明對比，其中布洛赫模是離散的。? ?
為了驗證平坦帶引起的場局域化，研究人員在構(gòu)建的莫爾超晶格的單個單元細(xì)胞中展示了納米激光。在光學(xué)泵浦下，觀察到了具有強(qiáng)烈局域波函數(shù)的單個腔室納米激光發(fā)射。根據(jù)三維全波模擬，在單個莫爾單元細(xì)胞中的偶極平坦帶模式具有0.016λ3的模體積。
研究人員選擇相對較大的扭曲角度（9.43°）來構(gòu)建具有較小莫爾超晶格晶格常數(shù)的莫爾超晶格。盡管具有較小扭曲角度的莫爾超晶格具有較窄的平坦帶寬，但其占用的空間更大，并且同步納米激光對制造缺陷更敏感。
總之，在這項工作中，研究人員提出并演示了一種利用平帶疊加特性創(chuàng)建可重構(gòu)有源光子器件的莫爾納米激光器陣列。通過在單個莫爾單元細(xì)胞中的納米激光發(fā)射，研究人員驗證了平帶引起的場局域化，以及在水平和垂直方向上的強(qiáng)場局域化，以及群折射率超過100的慢光。研究人員通過實現(xiàn)各種模式的可重構(gòu)莫爾納米激光器陣列，包括P、K和U形以及漢字“中”和“國”，證明了研究人員的方法的有效性，同時保持了高空間和光譜相干性。此外，通過構(gòu)建平帶局域化模式的相位依賴疊加，研究人員演示了能夠控制輻射方向的相控陣納米激光器。研究人員的結(jié)果為構(gòu)建用于通信、計算和光譜學(xué)應(yīng)用的光子相控陣納米激光器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了一條有前途的途徑。? ? ? ? ??
參考文獻(xiàn)：Luan, HY., Ouyang, YH., Zhao, ZW.?et al.?Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization.?Nature?624, 282–288 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06789-9
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