Science Advances：二维光子晶体上的极化激元长程输运实验突破

导读 

近日，密歇根大学物理系邓慧团队首次实验证实了二维光子晶体上激子极化激元的远程输运，并系统揭示色散与激发对输运行为的可调控性。该研究突破了传统TMD激子输运受限的瓶颈，通过与二维光子晶体强耦合，实现了二维材料激子极化激元超越20微米的长程输运，为低损耗、高可调控的片上光量子器件提供了全新平台。相关成果以“2D material exciton-polariton transport on 2D photonic crystals” 为题发表于《Science Advances》。谢昕博士为该论文第一作者，邓慧教授为通讯作者。

过渡金属二硫化物（TMD）作为一类新兴的二维半导体材料，展现出丰富的激子物理，为构建室温超紧凑的激子与极化激元光电器件提供了广阔空间。然而，TMD激子的输运距离通常局限在1-2微米，严重制约了其实际应用。

激子极化激元（Exciton-Polariton）——光子与激子强耦合形成的准粒子——兼具光子的高速传输和激子的强相互作用，为长程输运提供了新思路。此前，波导、微腔等平台虽实现微米级输运，但调控性差、难以集成。而二维光子晶体以其出色的模式设计灵活性和片上集成优势，成为理想载体，但其在极化激元输运中的潜力尚未被探索。

该研究中，研究团队设计并制备了悬浮的Si₃N₄二维光子晶体阵列，并转移高质量、大面积（毫米量级）MoSe₂单层材料，构建激子极化激元体系。通过空间/动量分辨荧光成像，发现相比平面基底上激子仅限于2 µm以内的局域发光，光子晶体上的极化激元可传播超过20 µm，展现出数量级的提升。

研究进一步揭示了色散和泵浦功率对输运特性的调控。通过比较三种不同晶格周期下形成的极化激元色散结构，发现其输运行为受极化激元色散与弛豫路径控制。而且，在提升泵浦功率时，观察到激子向极化激元的受激弛豫过程，伴随发射能量的红移和传播长度的非线性变化，表明在高激发下极化激元态将主导输运行为，为未来发展极化激元超流与非线性输运提供可能。

• 首次在二维光子晶体体系中实现长程输运：相比平面基底，二维光子晶体上极化激元的输运长度提升一个数量级以上，如图1所示；
• 多色散结构对比：比较了不同光子晶体结构下形成的正质量、负质量与平色散极化激元的输运行为，如图2所示；
• 非线性跃迁行为：揭示激子极化激元体系中的受激弛豫机制及非线性变化，如图3所示；
• 可调输运行为：通过调控晶格参数与激发强度，实现对极化激元群速度与弛豫路径的控制；
  
  

图1二维光子晶体和平面基底PL对比。

图2 色散对输运的调控。

图3 泵浦功率引起的受激弛豫过程及其对输运性质的调控。

本研究在实验上实现了二维光子晶体中激子极化激元的长程可调输运，揭示了色散调控与激发功率对极化激元动力学的重要作用。该平台兼具色散设计灵活性与器件可集成性，为实现低损耗传输、非线性调控与拓扑极化激元器件奠定了基础，也为片上量子信息、非线性光子学等方向提供了关键支撑。

文中所有图片均引自该论文，论文信息如下：

Xin Xie, Qiuyang Li, Chenxi Liu, Yuze Liu, Chulwon Lee, Kai Sun, Hui Deng. 2D material exciton-polariton transport on 2D photonic crystals. Sci. Adv.11, eads0231 (2025). 

DOI:10.1126/sciadv.ads0231

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。