記憶，是人類智能的一種表現(xiàn)。光也是如此，當(dāng)光可以記住自己的旋轉(zhuǎn)方向，就能助力開啟未來的通信革命與計(jì)算革命。

近日，美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系潘峰博士聯(lián)合暨南大學(xué)鄧子嵐教授課題組以及斯坦福大學(xué)化學(xué)系劉鈁教授課題組等合作者打造出一種光子魔鏡，讓二硒化鉬這樣一種二維材料能夠在室溫下學(xué)會(huì)選擇性地發(fā)出左旋或者右旋的圓偏振光，借此找到了一把在常溫下就能精準(zhǔn)操控光子自旋與電子自旋耦合的鑰匙，教會(huì)了光和材料之間的一種特殊暗號(hào)，為信息科技打開了一扇新的大門。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這項(xiàng)技術(shù)的厲害之處在于，它不再需要借助特定偏振的光去激發(fā)材料，也不需要笨重復(fù)雜的低溫設(shè)備來維持效果。這意味著未來將能造出更小巧、更節(jié)能、更強(qiáng)大的光子器件，以用于量子計(jì)算、超安全通信和超靈敏生物探測。

潘峰告訴 DeepTech：“我們首次在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子自旋與電子自旋耦合調(diào)控的新紀(jì)錄，為未來室溫器件的研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)?！?/p>

圖 | 潘峰（來源：潘峰）

困境：量子世界的快閃記憶

這項(xiàng)成果涉及到一個(gè)名為谷電子學(xué)的核心概念。在像二硒化鉬這樣的二維半導(dǎo)體材料中，電子的能量狀態(tài)在動(dòng)量空間里形成了兩個(gè)類似山谷的結(jié)構(gòu)，分別稱為 K 谷和 K'谷。

這兩個(gè)谷就像兩個(gè)不同的房間，電子住在里面。最妙的是，使用處于左旋或右旋的不同旋轉(zhuǎn)方向的圓偏振光去照射材料的時(shí)候，可以選擇性地只激發(fā)其中一個(gè)谷里的電子。

這相當(dāng)于為信息存儲(chǔ)和傳輸提供了一個(gè)新的維度——谷自由度，從而可被用于編碼 0 和 1，這類似于經(jīng)典計(jì)算中的比特，但是在量子世界里的潛力更大。

然而，在這個(gè)想法面前橫亙著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：在室溫下，這兩個(gè)谷里的電子狀態(tài)極不穩(wěn)定。

一旦被激發(fā)，它們?nèi)f億分之一秒的飛快速度通過碰撞和散射等方式，迅速在兩個(gè)谷之間串門，導(dǎo)致失去原有的偏振信息。

這就像你用燈光照亮一個(gè)房間來做標(biāo)記，然而光線一旦離開，標(biāo)記就會(huì)立刻消失，無法被有效讀取和利用。因此，長期以來，谷電子器件一般只能在零下 200 攝氏度左右的極低溫度下工作，嚴(yán)重阻礙了實(shí)用化進(jìn)程。

（來源：資料圖）

鑰匙：走進(jìn)連續(xù)域中的準(zhǔn)束縛態(tài)

潘峰等人認(rèn)為，要想解決串門的問題，關(guān)鍵在于創(chuàng)造一個(gè)不對(duì)稱的環(huán)境，讓其中一個(gè)谷里的電子，比另一個(gè)谷里的電子，更快地通過發(fā)光來釋放能量。

這就好比在兩個(gè)并排的滑梯中，給一個(gè)滑梯涂上潤滑劑，電子從那個(gè)谷滑下來也就是發(fā)光的速度就會(huì)更快，從而能在競爭中勝出，實(shí)現(xiàn)選擇性的發(fā)光。

過去，人們嘗試使用金屬納米結(jié)構(gòu)或特殊設(shè)計(jì)的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造這種不對(duì)稱性，但是效果非常有限。要么只能在低溫下工作，要么在室溫下的選擇性很差，發(fā)光的圓偏振純度很低。

這一次，潘峰等人將目光投向一種名為連續(xù)域中的準(zhǔn)束縛態(tài)的光學(xué)現(xiàn)象。其背后原理可以理解為：想想一個(gè)完美的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它能在特定波長下將光囚禁在內(nèi)部，幾乎不與外界交換能量，這種狀態(tài)就叫做束縛態(tài)（bound states in the continuum, BIC）。

當(dāng)在這個(gè)結(jié)構(gòu)上雕刻出不對(duì)稱的圖案，比如把一個(gè)方形的納米柱子的一角切掉，就打破了結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱性。這個(gè)被囚禁的光態(tài)，現(xiàn)在有了一個(gè)微小的泄漏口，可以與外界自由空間的光發(fā)生相互作用，形成一個(gè)尖銳的光學(xué)共振峰，這個(gè)共振峰所處的模式為準(zhǔn)束縛態(tài)（quasi-BIC，q-BIC）。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這種共振的品質(zhì)因子也就是 Q 值可以非常高，這意味著光的能量可以被儲(chǔ)存很長時(shí)間，從而極大地增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用的強(qiáng)度。

最關(guān)鍵的一步來了：經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)，這種不對(duì)稱性可以被賦予手性，即左旋光和右旋光在其中感受到的環(huán)境完全不同。

研究中，潘峰等人設(shè)計(jì)并制造了由單晶硅構(gòu)成的周期性納米結(jié)構(gòu)陣列，每個(gè)單元都是一個(gè)被切掉一個(gè)角的小方塊。這種設(shè)計(jì)同時(shí)打破了面內(nèi)的鏡面對(duì)稱和反演對(duì)稱，從而激發(fā)了具有高 Q 值的手性 q-BIC 模式。

（來源：資料圖）

破局，單晶硅手性魔鏡的誕生

他們使用納米加工技術(shù)，在玻璃襯底上制造出了大面積、排列整齊的單晶硅納米結(jié)構(gòu)陣列，形成了所謂的手性超表面。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

為什么用單晶硅？因?yàn)樗诳梢姽夂徒t外波段的光學(xué)損耗極低，遠(yuǎn)比非晶硅或多晶硅要好。而低損耗是獲得高 Q 值共振的關(guān)鍵。

這種超表面好比是一面魔鏡，它對(duì)于位于深紅色光區(qū)域的波長大約在 772 納米的左旋光和右旋光的響應(yīng)截然不同。

當(dāng)光在這個(gè)共振波長附近時(shí)，魔鏡會(huì)強(qiáng)烈地增強(qiáng)其中一種旋轉(zhuǎn)方向的光在結(jié)構(gòu)表面的局域電場，同時(shí)抑制另一種。計(jì)算模擬顯示，這種手性近場增強(qiáng)的效果非常明顯。

接下來，就是這片魔鏡與二硒化鉬單層進(jìn)行結(jié)合的關(guān)鍵時(shí)刻。潘峰等人利用一種名為金膜輔助剝離的技術(shù)，獲得了高質(zhì)量、大面積的二硒化鉬單層原子薄膜，然后像手機(jī)貼膜一樣，將其精確地轉(zhuǎn)移到制作好的硅魔鏡陣列上。

最后，為了保護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu)，以及在光學(xué)上實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，潘峰等人在表面旋涂了一層透明的 PMMA 聚合物。

奇跡，室溫下的二選一發(fā)光

當(dāng)使用一束普通的、波長在 633 納米、處于任意偏振方向的光，去照射這個(gè)集成了二硒化鉬的魔鏡時(shí)，奇跡發(fā)生了。

在室溫下，材料被激發(fā)后發(fā)出的光，不再是均勻混合的左旋光和右旋光，而是顯著地偏向于左旋圓偏振光。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

潘峰等人使用圓偏振度這樣一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來衡量這種偏向性的強(qiáng)弱。圓偏振純度的范圍從 0 到 1，0 代表完全無偏振，1 代表完美的單一圓偏振。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該器件在室溫下實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 0.5 的圓偏振度，創(chuàng)造了同類器件在室溫下工作的新紀(jì)錄。作為對(duì)比，同樣條件下，生長在普通玻璃上的二硒化鉬單層，其發(fā)光幾乎是完全非偏振的，圓偏振純度接近于 0。

更令人驚喜的是，這種選擇性發(fā)光效果在從 100K 的低溫到 294K 的室溫之間都能保持良好，并且在室溫下可以達(dá)到最佳狀態(tài)。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

潘峰等人發(fā)現(xiàn)，其奧秘在于魔鏡的共振波長與二硒化鉬本身的激子發(fā)光波長精確匹配時(shí)，效果是最好的。通過精密地調(diào)節(jié)超表面的幾何參數(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了這種匹配。

原理，選擇性助推起作用

光有現(xiàn)象還不夠，還得揭示背后的物理機(jī)制。為此，他們使用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜技術(shù)，像高速攝像機(jī)一樣，捕捉了左旋光和右旋光的發(fā)光隨時(shí)間衰減的過程。

他們發(fā)現(xiàn)在魔鏡上，左旋光的衰減速度明顯快于右旋光。這意味著，對(duì)應(yīng) K'谷的左旋光輻射復(fù)合速度被顯著提升了。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這個(gè)提升歸功于手性 q-BIC 模式創(chuàng)造的超高手性局域態(tài)密度。簡單說，就是魔鏡為左旋光光子提供了更多、更高效的逃逸通道，使其對(duì)應(yīng)的位于 K'谷的電子能夠更快地通過發(fā)光釋放能量，從而可以跳回低能級(jí)。

這種效應(yīng)在量子光學(xué)中被稱為手性珀賽爾效應(yīng)。計(jì)算表明，相比于在普通玻璃上，在魔鏡上二硒化鉬的輻射復(fù)合速率提升了大約 13 倍。

這個(gè)強(qiáng)大的選擇性助推，正是高 Q 值手性共振與強(qiáng)手性近場增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。它有效地壓制了電子在兩個(gè)谷之間快速串門的散射過程，從而在室溫下鎖住了谷偏振信息，實(shí)現(xiàn)了高純度的選擇性發(fā)光。

在論文中潘峰等人還提出了更具雄心的設(shè)想：如果能在這種手性 q-BIC 模式附近，通過電場約束等技術(shù)創(chuàng)造出量子受限的谷激子，就有可能實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)、發(fā)射方向可控的量子單光子源，而這將是量子信息科學(xué)的理想光源。

潘峰表示，在量子技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)光子和電子自旋的操控，將是未來十年左右推動(dòng)室溫量子技術(shù)突破的關(guān)鍵。其次，基于硅光子學(xué)的底層設(shè)計(jì)邏輯，本工作對(duì)于發(fā)展自旋量子器件、光電器件及大規(guī)模制備集成具有重要推動(dòng)作用。此外，該技術(shù)還可拓展至手性光學(xué)、傳感、材料及化學(xué)等領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)材料手性性質(zhì)的光學(xué)調(diào)控。

同時(shí)，如果進(jìn)一步增強(qiáng)光與物質(zhì)的耦合強(qiáng)度，甚至可能實(shí)現(xiàn)谷特異性能級(jí)與手性光模式的強(qiáng)耦合，從而形成手性極化激元態(tài)，從根本上解除 K 谷與 K'谷的簡并，從而幾乎可以完全抑制谷間散射，實(shí)現(xiàn)接近 100% 的圓偏振度。

也許在不遠(yuǎn)的將來，我們手機(jī)中的芯片、數(shù)據(jù)中心里的光模塊，甚至連接全球的量子互聯(lián)網(wǎng)，都會(huì)用上基于這項(xiàng)研究萌芽的技術(shù)。光的左旋與右旋，也將在數(shù)字世界的底層，扮演起更關(guān)鍵、更智能的角色。

參考資料：

相關(guān)論文 https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4

運(yùn)營/排版：何晨龍