想象一下，把一滴墨水滴入大海，墨水瞬间就会被稀释得无影无踪。在光与物质相互作用的量子世界里，科学家们也面临着同样的“稀释烦恼”：为了实现大规模的光子集成，我们不可避免地会扩大光子晶体或腔阵列的物理尺寸；但随之而来的是，光场在广阔的空间中被严重“稀释”，导致物质与光子的耦合强度大打折扣。那么，有没有一种物理机制，能在系统不断扩容的同时，将光与物质的强耦合“死死锁住”？
近日，浙江大学物理学院王逸璞研究小组与信电学院杨怡豪课题组合作，巧妙地利用光子平带（Photonic flatband）给出了理论与实验的双重解答。他们首次实现了光子平带模式与自旋系综中磁振子（magnon）的强耦合，并揭示了光子平带与物质耦合的一种独特现象——“耦合钉扎（Coupling Pinning）”效应。相关研究成果以“Strong magnon-photon coupling enhanced by photonic lattice flat-bands”为题，近期发表于《Nature Communications》。
寻求和操控更强的光与物质相互作用，一直以来都是现代物理与信息技术的核心科学问题。在传统的腔量子电动力学体系中，相互作用强度通常受限于光场的模式体积与态密度（DOS）。对于大尺度的集成光子系统而言，色散能带中的光子模式在空间中是扩展的，这直接导致了局域光场强度的下降。
为了在混合系统中实现高效的相干信息交换，研究人员通常需要引入具备优异电磁响应能力的物质载体。其中，自旋系综（Spin ensemble），特别是钇铁石榴石（YIG）材料，因其极低的磁阻尼和高度可调的频率特性而备受瞩目。在这种磁有序材料中，电子自旋的集体激发形成了一种准粒子模式——磁振子（Magnon）。磁振子能够与微波频段的光子产生强烈的相干耦合，是连接不同量子系统的理想桥梁。
图1.自旋系综中的自旋集体激发（Magnon）示意图
然而，当试图在一个宏观尺寸的光子晶格中实现光与物质（例如自旋系综）的强耦合时，面临着严峻的尺度挑战：如图2a-d所示，随着一维常规紧束缚（TB）色散晶格尺寸的增加，光子模式的场强在广阔的晶格空间中被稀释，导致其与磁振子之间的耦合强度（拉比劈裂）较小。
为突破这一尺寸限制，团队将目光投向了光子平带。平带具有近乎为零的群速度和极高的态密度。理论表明（图1e-h），采用具有孤立平带的Lieb 光子晶格，磁振子将不再只与单个光子模式相互作用，而是同时与N个简并的平带光子模式同时相互作用，从而有望在宏观晶格尺度下增强相互作用。
图2.一维紧束缚（TB）晶格与Lieb晶格中磁振子-光子耦合的理论模型。(a,b) 一维TB晶格的色散能带结构与态密度（DOS）。(c) 自旋系综与TB晶格的非简并光子模式发生耦合的示意图。(d) 晶胞数 N=12 时，TB晶格与磁振子的耦合能谱，显示较小的拉比劈裂。(e,f) 一维Lieb光子晶格的能带结构与态密度，中心黄色区域为孤立的光子平带。(g) 自旋系综与置于Lieb晶格中的 N 个简并平带光子模式产生集体耦合的示意图。(h) N=12 时，平带集体耦合产生的较大拉比劈裂。图中褐色曲线代表未与磁振子发生耦合的暗模。
1. 光子平带晶格的构建
要验证平带在强耦合区间的物理效应，首先需要构建一个具有高质量孤立平带的光子晶格。如图3所示，研究团队利用微波频段的开口谐振环（SRR）作为最小单元（图3b），在介质板上设计并制备了一维的 Lieb 光子晶格（图3a），同时也制备了紧束缚晶格作为对照组（图3f）。通过精确调控相邻谐振环之间的电容耦合（图3c,d），Lieb 晶格样品在5.128 GHz处显示出一个孤立且高简并度的平带模式（图3e），而作为对照的紧束缚晶格则只有非简并的色散模式（图3g）。
图3：光子晶格的实验设计与局域态密度（LDOS）表征。(a) 由开口谐振环（SRR）构成的12原胞Lieb晶格实物图。(b) Lieb晶胞的原胞示意图。(c,d) 独立的A-B与B-C结构的DOS光谱，理论与实验均显示318 MHz的模式劈裂。(e) Lieb晶格中测得的平带LDOS光谱，中心尖峰为平带模式。(f) 作为对照组的12原胞TB晶格实物照片。(g) TB晶格测得的宽带色散LDOS谱。
2. 揭示磁振子-平带光子的“耦合钉扎（Coupling Pinning）”效应
在制备了光子晶格后，研究人员将支持磁振子模式的YIG小球置于晶格的格点上，并施加可调节的偏置磁场使之与晶格中光子模式耦合。团队首先在理论上预言了平带增强耦合的机制：在强耦合区，这其实是一个类 Dicke 超辐射过程。在平带中，同一频率下“挤满”了N重简并的光子模式。磁振子会与这N个模式同时耦合，此时它只能感受到由这些模式叠加形成的“亮模”，而与其余的“暗模”完全脱耦（图4a）。在此叠加下，亮模在磁振子所在的格点附近高度局域化（图4d），有效耦合强度相比于单一光子模式获得了
数量级的提升；相反，暗模在此处的分布则严格为零（图4e）。
为了在实验上验证这一物理图像，研究团队分别在具有平带的 Lieb 晶格（图4b）和仅含常规色散带的紧束缚晶格（图4c）中，对局域态密度（LDOS）谱进行了系统测量。通过扫描偏置静磁场来调整磁振子频率，实验中清晰地观测到了显著的拉比劈裂，这是磁振子与光子强耦合的标志。
更为关键的是，当系统规模扩大时，两种晶格展现出了截然不同的行为：在紧束缚晶格中，随着晶格越长，单光子模式的场强无可避免地被空间稀释，导致耦合强度逐渐减弱（图4c,f）；但在 Lieb 晶格中，N重简并带来的集体增强效应恰好抵消了模式稀释的负面影响，这就使得，即使晶格规模不断向外扩张，其耦合强度依然能保持在高位而不衰减（图4b,f）。研究团队将这一耦合强度无视尺寸效应的奇特现象命名为“耦合钉扎”效应。
图4. 平带增强的磁振子-光子耦合及“耦合钉扎”效应的实验观测。(a) N个简并平带光子模式与磁振子相干耦合形成“亮模”及 N-1 个脱耦“暗模”的物理变换图像。(b,c) YIG小球分别置于Lieb晶格与TB晶格中测得的LDOS光谱对比，在N=12时，Lieb晶格保持了高达 180 MHz 的拉比劈裂，而TB晶格衰减至 92 MHz。(d) N=12时亮模的空间振幅分布，数值计算与理论吻合，证明其在耦合位点高度局域。(e) 代表性暗模的空间振幅分布，在耦合位点振幅严格为零。(f) 实验提取的耦合强度随光子晶格原胞数N的演化关系：平带（橙色方块）展现出与尺寸无关的“耦合钉扎”效应，而色散带（红色圆圈）则单调衰减。
3. 双层晶格堆叠进一步增强耦合
为进一步探索平带增强机制的可扩展性，研究团队构建了双层结构的平带光子晶格。如图5a所示，两层一维Lieb光子晶格样品在空间上交错堆叠，YIG小球被精确放置于两层平带结构之间。
在该构型下，磁振子能够同时与上下两层晶格的平带亮模发生耦合。这两个亮模进一步发生杂化，形成了一个耦合更强的“超亮模（Super-Bright Mode）”（图5b）。谱学测量表明，耦合强度从单层晶格的 86 MHz 提升至双层结构的 113 MHz（图5c-d）。这一结果验证了利用平带工程在多维空间中自由调控光与物质相互作用的可行性。
图5：双层Lieb晶格中的模式杂化与耦合进一步增强。(a) 由两层1D Lieb晶格垂直堆叠而成的实验装置图，YIG小球夹在两层对齐的(1, A)格点之间。(b) 双层结构中的模式杂化示意图：两层的亮模b1和b2杂化形成了一个耦合更强的超亮模B以及一个与磁振子无耦合的暗模D。(c,d) 实验测得的单层（c）与双层（d）构型下的LDOS谱对比，双层结构中超亮模的耦合强度（113 MHz）显著高于单层亮模（86 MHz），图d中心未劈裂的共振峰对应于暗模D。
该工作在实验和理论上系统证实了光子平带在增强光与物质相互作用上的潜力。研究揭示的耦合钉扎效应表明，平带能够作为一种有效的物理保护机制，使光与物质的强耦合免疫于宏观系统尺寸扩大带来的“稀释效应”。本研究不仅为大规模光子集成电路提供了新的见解，也展现了利用平带系统设计新型量子物理器件的广阔前景。
浙江大学物理学院博士生洪旗为该论文第一作者，物理学院王逸璞研究员与信电学院杨怡豪研究员为共同通讯作者。合作者还包括华东师范大学钱洁研究员、浙江大学陈福家博士。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金及中央高校基本科研业务费专项资金支持。
研究小组主页：
https://person.zju.edu.cn/0020096#0
文章信息：
Hong, Q., Qian, J., Chen, F.et al. Strong magnon–photon coupling enhanced by photonic lattice flat-bands. Nat Commun (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69326-y
撰稿：课题组
