在現代化信息社會基礎設施中，小型化激光器發揮著核心作用。激光器小型化在波長尺度之外的突破為各種應用以及極端光學場定位和激光模式工程中的光物質相互作用研究開辟了新的機會。微型激光器研究的最終目標是開發可重構的相干納米激光器陣列，以同時提高信息容量和功能。然而，缺乏適合的物理機制來重新配置納米激光器腔體阻礙了單腔或固定陣列中納米激光器的演示。
鑒于此，近日來自北京大學馬仁敏教授領導的研究團隊在Nature上以Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization為題發表重要文章，提出并展示了基于扭曲光子石墨烯格子中的光學平帶的莫爾納米激光器陣列，其中從單個納米腔體到可重構的納米腔體陣列實現了相干納米激光。研究人員觀察到同步的納米激光器陣列顯示出高空間和光譜相干性，在一系列不同圖案上，包括P、K和U形狀以及漢字“中”和“國”（中文中的“中國”）。此外，該研究團隊還能夠操縱納米激光器陣列的發射方向。這一工作為開發具有通信、激光雷達（光探測和測距）、光學計算和成像等潛在應用的可重構有源器件奠定了基礎。? ?
圖1. 能夠極化激元激發的典型范德華（vdW）材料。
圖源：?Nature?624, 282–288 (2023).? ??
莫爾超晶格，作為一種特殊的周期性結構，其形成源于兩個晶格常數不匹配或發生扭曲的晶格疊加。這種疊加方式會導致晶格中出現特殊的周期性變化，從而形成一種新的能帶結構。在莫爾超晶格中，能帶結構的特性使得電子、光子和聲子等粒子的運動行為受到強烈的影響。
電子學領域：在電子學領域，莫爾超晶格的發現和研究帶來了對電子運動行為的新理解。由于莫爾超晶格獨特的能帶結構，電子在其中呈現出獨特的量子態，這為電子器件的設計和優化提供了新的思路。例如，通過調整莫爾超晶格的結構，可以實現對電子運動的有效調控，從而提高電子器件的性能。? ?
在光子學領域，莫爾超晶格的出現為光子控制和光子器件的設計帶來了革命性的突破。由于莫爾超晶格能夠實現對光子行為的精細調控，這使得光子器件的效率得到了顯著提高。同時，莫爾超晶格在光子晶體、光子集成電路等領域也展現出巨大的應用潛力。
在聲子學領域，莫爾超晶格對聲子的行為產生了深遠的影響。通過對莫爾超晶格的精心設計，可以實現聲子的有效操控，這對于發展新型聲學器件和聲波導具有重要意義。例如，利用莫爾超晶格可以設計出具有優異性能的聲學濾波器、聲波導和聲子晶體等。
圖2.U型鎖模莫爾納米激光陣列。
圖源：Nature?624, 282–288 (2023).
莫爾超晶格的倒格矢量誘導的層間耦合為操縱布洛赫模式和定制材料屬性提供了一個新的自由度。在電子莫爾超晶格中，已經在范德瓦爾斯異質結構中觀察到了霍夫施塔特蝴蝶、界面極化子和莫爾激子等新興現象。
特別有趣的是，在魔角扭曲的雙層石墨烯中，層間耦合誘導了平坦帶，其中量子動力學能量被淬滅。這種現象已經被觀察到導致關聯絕緣和超導狀態。最近在光子莫爾超晶格方面的進展也顯示了平坦帶的出現，通過扭曲兩個光子晶格可以操縱系統的屬性。
平坦帶是指周期介質中不表現出色散的布洛赫帶。這些帶在實空間中具有基本的緊湊局部狀態，具有高度的簡并性，不僅存在于帶隙中，而且存在于連續體中。值得注意的是，這些局部狀態的簡并性使得它們的任何疊加也可以是系統的靜態本征態，為開發具有出色靈活性的可重構光學設備提供了前所未有的途徑。
然而，這一顯著特征僅在被動波導系統中得到實現。在主動系統中，平坦帶誘導的定位僅用于在單個莫爾單元細胞中實現納米激光。與被動系統中的輸入激光束控制不同波導之間的相對相位不同，主動系統中的相位鎖定通過不同激光器之間的模式耦合而自發出現，這需要精心設計光腔和精確的實驗實施。
在這篇文章中，研究人員報告了一種新型的莫爾納米激光器陣列，其中可以在主動結構中生成任何所需的圖案，不僅產生激光，而且確保由于動量空間中帶的平坦性，不同激光斑點之間的相位一致。研究人員的研究結果表明，這種方法為創建能夠進行相位鎖定的可重構納米激光器陣列提供了一種有效的方法，從而實現了具有不同圖案的陣列之間的同步納米激光器（圖1）。? ?
莫爾納米激光器陣列的一致性通過遠場模式中的定向發射和空間解析光譜中的單模激光得到證實。此外，研究人員還展示了莫爾納米激光器陣列中的光束轉向，其中發射方向由納米激光器的空間相對相位控制。
圖3. 莫爾納米激光的制備過程。
圖源：Nature?624, 282–288 (2023).?
為了實現莫爾超晶格中的光子態的相干控制，研究人員首先構造一個基于納米結構莫爾超晶格的光子平坦帶的莫爾納米激光陣列。在該結構中，研究人員引入了兩組具有扭曲角度的光子石墨烯晶格到同一半導體多量子阱（MQWs）的膜中。該膜的厚度為200納米。兩個扭曲的晶格之間的扭曲角度為9.43°。
形成的莫爾超晶格的晶格常數為3.041微米。莫爾超晶格在實空間中的周期性產生了莫爾倒易格矢量，通過這些格矢量，不同動量的扭曲晶格中的布洛赫模可以相互耦合。這種耦合導致莫爾布洛赫模包含不同的波矢量，在實空間中形成局域波函數，并在能量帶圖中形成平坦帶。這與正常的光子晶體形成鮮明對比，其中布洛赫模是離散的。? ?
為了驗證平坦帶引起的場局域化，研究人員在構建的莫爾超晶格的單個單元細胞中展示了納米激光。在光學泵浦下，觀察到了具有強烈局域波函數的單個腔室納米激光發射。根據三維全波模擬，在單個莫爾單元細胞中的偶極平坦帶模式具有0.016λ3的模體積。
研究人員選擇相對較大的扭曲角度（9.43°）來構建具有較小莫爾超晶格晶格常數的莫爾超晶格。盡管具有較小扭曲角度的莫爾超晶格具有較窄的平坦帶寬，但其占用的空間更大，并且同步納米激光對制造缺陷更敏感。
總之，在這項工作中，研究人員提出并演示了一種利用平帶疊加特性創建可重構有源光子器件的莫爾納米激光器陣列。通過在單個莫爾單元細胞中的納米激光發射，研究人員驗證了平帶引起的場局域化，以及在水平和垂直方向上的強場局域化，以及群折射率超過100的慢光。研究人員通過實現各種模式的可重構莫爾納米激光器陣列，包括P、K和U形以及漢字“中”和“國”，證明了研究人員的方法的有效性，同時保持了高空間和光譜相干性。此外，通過構建平帶局域化模式的相位依賴疊加，研究人員演示了能夠控制輻射方向的相控陣納米激光器。研究人員的結果為構建用于通信、計算和光譜學應用的光子相控陣納米激光器的復雜結構提供了一條有前途的途徑。? ? ? ? ??
參考文獻：Luan, HY., Ouyang, YH., Zhao, ZW.?et al.?Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization.?Nature?624, 282–288 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06789-9
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