二维材料转移应用之 从微腔耦合到量子光学

二维材料转移应用之

从微腔耦合到量子光学

南京谱量光电科技有限公司

在微观尺度下，光与物质的相互作用不再是简单的吸收与发射。

当光被限制在微米甚至亚波长的空间中——例如微腔（microcavity）或光子晶体腔内——光场强度会成百上千倍增强，从而引发激子–光子强耦合、极化子凝聚、单光子发射与非线性效应等量子光学现象。

而二维材料（2D materials）——如过渡金属硫属化物（TMDs，MoS₂、WS₂、WSe₂ 等）和六方氮化硼（hBN）——凭借其原子级厚度、高激子结合能与直接带隙，成为理想的光学活性层。当这些二维材料被“嵌入”微腔之中，就能在极小体积中实现极强光场调控，开启量子光学器件的新篇章。

在 Nature Communications (2023)，Zhao 等人通过将多个 WS₂ 单层堆叠嵌入平面布拉格反射腔（DBR cavity）中，实现了系统性调控真空 Rabi 分裂，从 36 meV 提升至 72 meV。

这意味着光子与激子形成了混合态——极化子（polaritons），并在室温下仍保持强耦合稳定。研究者通过时间分辨泵浦-探测实验进一步揭示：体系中的非线性行为主要受激子相空间填充（phase-space filling）效应主导。这类结构预示着低功率全光调制与室温极化子晶体管的可能。

分布式布拉格反射镜（DBR）腔体嵌入二维（2D）材料的几种不同结构和应用↑

早期的基础性工作来自 Nature Communications (2015)，Dufferwiel 等人将单层 MoSe₂ / hBN 异质结嵌入可调谐 Fabry–Pérot 腔中，首次在 TMDC 中观测到 20–29 meV 的 Rabi 分裂。这一实验奠定了二维材料强耦合体系的基础。

上面的图表描述了研究人员如何制备 (b、c) 高质量 (d) 的二维材料异质结构，并将其嵌入 (a) 一个可调谐的开放式微腔中，为研究二维材料中的基本光物理现象和开发新型光电器件奠定了基础。↑

2025 年 Chinese Optics Letters 报道了由中国科大某研究团队完成的工作：
研究者将单层 WS₂ 精准放置在高 Q 石英微球腔表面，腔内形成强烈的“耳语廊模”（WGM）。在连续波激发下，二次谐波信号较裸片增强 1.46 × 10⁷ 倍，并实现 MHz 级输出速率。

在单层 WS2中增强二次谐波生成 (SHG) 的实验研究。

微腔提供了强光场局域，二维材料则提供高 χ^(2) 非线性，两者相乘构成了一种可片上集成的非线性光源，可望用于量子频率转换、光学计算与集成光谱仪。

在 Nature Communications (2021)，Barra-Burillo 等人展示了另一类更“低频”的耦合体系：
他们将薄层 hBN 嵌入金属–MoS₂ 腔体中，系统研究了光子与晶格振动（光学声子）之间的相互作用，从弱耦合逐步过渡到超强耦合。

当 hBN 厚度增至完全填充腔体时，系统的耦合强度接近体相声子极化子的极限，实现了微腔声–光混合模式的可调谐生成。

这类研究为红外光–声子调控、热辐射调制、以及 THz 激光器提供了新途径。

不同腔体配置下，六方氮化硼（hBN）或填充材料的极化子（Polariton）色散关系。

代表体系：
 WS₂ / MoSe₂ in DBR cavity

关键物理现象：
 Rabi 分裂、极化子凝聚

应用前景：
 室温极化子激光器、量子调制

代表体系：
 WS₂ on WGM microsphere

关键物理现象：
 二次谐波增强 ×10⁷

应用前景：
 光频转换、片上光源

代表体系：
 hBN / MoS₂ cavity

关键物理现象：
 微腔声子极化子

应用前景：
 THz 控制、热光学调制

共性技术基底：高质量的二维材料干法转移

这些研究让二维材料真正成为“光学材料中的量子平台”，推动从基础物理到器件应用的跨越。