北京大學(xué)實(shí)現(xiàn)魔角激光器 基于模式耦合光場(chǎng)局域化機(jī)制

  微納激光器通過(guò)有效光學(xué)反饋機(jī)制將光場(chǎng)局域在波長(zhǎng)量級(jí)或更小尺度，從而增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，提升激光器性能，可實(shí)現(xiàn)低能耗和高調(diào)制速率相干激射，在數(shù)據(jù)通信、光傳感、片上光電互聯(lián)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。光場(chǎng)的局域化通常由材料光學(xué)性質(zhì)的空間不連續(xù)性或無(wú)序化引起，比如不同折射率材料界面的全內(nèi)反射可形成回音壁局域模式，光子晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷可形成光學(xué)禁帶局域的缺陷模式，無(wú)序結(jié)構(gòu)中的多重散射可形成安德森局域化模式，等等。

  近日，北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心馬仁敏研究員課題組在無(wú)缺陷的周期性結(jié)構(gòu)中基于模式耦合光場(chǎng)局域化機(jī)制實(shí)現(xiàn)了魔角激光器(圖1)。魔角激光器中的光場(chǎng)局域化來(lái)源于形成莫爾超晶格的兩套光子晶體模式之間的耦合，無(wú)需形成光子晶體禁帶，因而無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控;也就是說(shuō)，只要簡(jiǎn)單地將兩套光子晶體扭轉(zhuǎn)一定角度并疊加，即可產(chǎn)生亞波長(zhǎng)局域的高品質(zhì)因子納米光腔。該光場(chǎng)局域機(jī)制可應(yīng)用于納米激光器、納米發(fā)光二極管、非線性光學(xué)和腔量子電動(dòng)力學(xué)等研究。

圖1 魔角激光器示意圖(其中的光場(chǎng)局域化來(lái)源于模式耦合，無(wú)需形成光子晶體禁帶，即可實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)局域的高品質(zhì)因子納米光腔)

  不同于兩層石墨烯扭轉(zhuǎn)形成電子體系的魔角結(jié)構(gòu)，課題組利用微納加工技術(shù)，將兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格做在同一層的半導(dǎo)體材料中(圖2a, b)，由此形成具有更大周期的莫爾超晶格，其對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)內(nèi)會(huì)因兩套光子晶體模式之間的耦合而形成光子晶體能帶的扁平化，對(duì)應(yīng)的實(shí)空間波函數(shù)分布也會(huì)局域化。由于兩套光子晶體中的布洛赫波函數(shù)在垂直于傳播方向的維度完全重合，兩者之間的耦合也隨之增強(qiáng)，所以在較大的扭轉(zhuǎn)角度下仍然可以得到光場(chǎng)的強(qiáng)局域化。課題組對(duì)兩套光子晶體之間扭轉(zhuǎn)角度為2.65o的魔角納米光腔開展了詳盡的理論和實(shí)驗(yàn)研究;三維模擬計(jì)算表明，該納腔的模式體積僅約0.02×(波長(zhǎng))3，品質(zhì)因子高于4×105。該魔角納腔在功率約為6 kW/cm2激勵(lì)下發(fā)生自發(fā)輻射到受激輻射的閾值轉(zhuǎn)變，激射后輻射光譜線寬約0.24 nm(圖2c, d)。

圖2 魔角激光器電子顯微鏡照片和激射特性：(a)為魔角激光器電鏡照片，(b)為其局部放大;(c)和(d)分別為魔角激光器激射近場(chǎng)光斑照片和激射光譜

  此外，課題組還詳細(xì)研究了轉(zhuǎn)角為4.41o、6.01o和9.43o的魔角激光器的能帶結(jié)構(gòu)、模式局域特性和激射特性(圖3)，進(jìn)一步闡釋了該光場(chǎng)局域機(jī)制不依賴光子晶體禁帶而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)局域的特性及其在不同轉(zhuǎn)角下的適用性。

圖3 不同轉(zhuǎn)角(4.41o、6.01o和9.43o)下，魔角激光器的電子顯微鏡照片(a-c)、能帶結(jié)構(gòu)(d-f)和激射近場(chǎng)光斑照片(g-i)

  相關(guān)研究成果以“納米結(jié)構(gòu)莫爾超晶格中的魔角激光器”(Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice)為題，2021年8月16日在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology);物理學(xué)院2019級(jí)博士研究生冒芯蕊、邵增凱副研究員、2020級(jí)博士研究生欒弘義和王少雷為共同第一作者;馬仁敏為通訊作者。同期的“新聞與視角”欄目配發(fā)了雅典大學(xué)(National and Kapodistrian University of Athens)Kosmas Tsakmakidis博士的評(píng)論文章，認(rèn)為納米激光器是發(fā)展集成光電子和硅基光子器件的關(guān)鍵元件(Nanolasers are key components under development for contemporary integrated optoelectronics and silicon photonics)，魔角激光器的設(shè)計(jì)概念具有高度創(chuàng)新性(exceptionally innovative design concept)并展現(xiàn)出優(yōu)異性能(exhibits exceptional performance)。

  上述研究工作得到北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，及人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院等支持。

  論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00956-7

  同期評(píng)論：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00960-x