Nat. Photonics | 光学超表面+范德华材料：首次实现室温下“原子级”高品质因数光学谐振

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光子学领域正在经历一场由光学超表面技术引领的范式变革。这类新型平面光学元件凭借其突破性的设计自由度，正在重新定义光场调控的基本原理。与此同时，二维层状材料领域也取得了重大突破，研究人员通过垂直异质结构的原子级精确组装技术，首次实现了对材料本征特性的精准调控。然而，这两个前沿领域的深度融合始终存在关键的科学难题，成为制约下一代光学器件发展的主要瓶颈。

从物理机制来看，超表面作为由亚波长光学谐振单元构成的二维周期阵列，通过精密的电磁设计，实现了对光场振幅和相位的纳米尺度调控。这类技术在超透镜、全息成像和偏振控制等领域展现出革命性的应用前景。其核心优势在于可构建具有超高品质因数（Q值）的光学模式，产生高度局域的电磁场增强，这为增强光与物质相互作用提供了全新途径。

另一方面，二维材料科学也取得了系列重要突破。范德华材料作为一类具有层状结构的晶体材料，其层内通过强共价键结合，而层间仅依靠微弱的范德华作用力维系。这种独特的结构特征使得单层晶体的机械剥离成为可能，并有效避免了传统异质结制备中的晶格失配问题，实现了多种功能材料的自由堆叠。其中，六方氮化硼（hBN）因其优异的绝缘性能和界面特性，已成为制备高质量异质结的关键封装材料；而过渡金属硫族化合物（TMDC）单层材料则因其室温稳定的激子效应、独特的能谷自由度和优异的单光子发射特性，成为量子光学研究的重要平台。

范德华异质结构超表面（vdW-HMs）示意图：a. vdW-HM结构示意图：WS₂半导体单层被夹在两片薄hBN层之间，通过自上而下纳米加工工艺在异质结构中构建整体式超表面设计。不对称的纳米棒单元结构产生对称保护的qBIC共振，可强约束光场并与二维WS₂激子共振耦合。右上角插图展示了激子（EX）与qBIC（EqBIC）共振的强耦合机制，形成由拉比能量ΩR分隔的上（UP）、下（LP）极化激元分支。b. WS₂激子（左）与qBIC光子共振（右）的强耦合：通过最大化耦合强度g实现。hBN超表面在qBIC共振时的电磁场增强（|E|/|E0|）²模拟显示谐振器内强局域场，完美促进光-物质耦合。c. hBN超表面（ΔL=50nm）透射谱模拟：通过单元尺寸缩放因子S实现qBIC共振光谱调谐。黑色曲线为hBN封装WS₂单层的室温光致发光谱。d. 耦合谐振子模型计算的色散关系：展示腔模（qBIC）与激子（X）失谐时LP和UP分支的形成。e. qBIC-激子系统的动量色散：实线和点划线分别表示激子与qBIC模式，虚线为极化激元分支。当qBIC模式在更大角度处。相对激子正失谐时，负角度色散使拉比分裂出现

针对这一挑战，近期科研人员创新性地提出了范德华异质结构超表面（vdW-HMs）技术方案。该技术通过将多层范德华材料构筑成精确定制的谐振纳米结构，在六方氮化硼封装的二硫化钨（WS₂）单层体系（厚度<130nm）中，基于连续域束缚态（qBIC）物理机制，首次实现了室温条件下的高品质因数光学谐振。特别值得关注的是，我们观测到了显著的强耦合效应和极化激元发光现象。更引人注目的是，该超表面耦合的激子-极化激元体系展现出优异的非线性特性——其强耦合状态在<1 nJ cm⁻²的超低泵浦能量密度下即可达到饱和，这一性能指标较传统二维材料光学腔系统提升了三个数量级。这项技术突破不仅实现了超表面与范德华材料的单片集成，更具有普适性的材料兼容性，为发展原子级精度的新型光电器件提供了全新思路。

图2| vdW-HMs角度分辨光谱表征：a. hBN异质结构的RCWA模拟结果：左侧(负波矢)为无WS₂单层结构，右侧(正波矢)为嵌入WS₂单层结构，(±1,0)衍射级次清晰可见。加入单层后，色散关系(白色虚线)与WS₂激子共振(水平实线)呈现明显耦合。b. 实验测得δ=96 meV失谐超表面的背焦面反射成像：实测色散与理论计算的极化激元分支(白虚线)高度吻合。c. kx=0.09处的反射谱：在激子能量处(灰色区域)出现明显劈裂。d. RCWA反射模拟：与实验结果高度一致，凸显衍射级次影响。e. 不同失谐量(96,-55,-94 meV)样品的WS₂荧光角分辨谱：负失谐时，荧光峰位于kx=0处，对应qBIC耦合的下极化激元分支。

本研究的核心突破在于首次在实验上实现了范德华异质结构超表面中的非线性激子-极化激元体系。这一成果创造性地将超表面的电磁设计自由度与范德华材料的原子级精确组装技术相结合。研究团队创新性地采用qBIC超表面替代传统光学谐振腔，在hBN封装的WS₂单层异质结构中观测到了室温强耦合现象。通过系统的光谱表征和分析，发现该体系中极化激元的相互作用强度比现有二维材料光学腔系统提升了三个数量级，这一发现为强耦合物理的研究提供了新的实验平台。

这项突破性研究将推动多个技术领域的创新发展：

• 低功耗集成光子器件：为开发片上集成偏振激光器和神经形态光子芯片提供了关键技术支撑；
• 室温量子光学系统：为实现量子纠缠态制备和单极化激元非线性效应开辟了新途径；
• 多功能材料平台：该技术框架可拓展至TMDC异质结、黑磷等新型半导体材料，甚至可应用于超导和拓扑量子材料体系。
  
  

这项研究不仅体现了纳米光子学与凝聚态物理的深度交叉融合，更重要的是，它为解决光通信、量子技术和传感检测等领域的核心器件问题提供了原子级精度的技术方案，必将推动相关技术领域的跨越式发展。未来，通过进一步优化材料体系和器件结构，有望实现更多突破性的物理发现和技术应用。