Chiral flat-band光学腔
引言在快速发展的光子技术领域中，在纳米尺度上控制和操纵光的能力一直是基础性的挑战。最近的研究利用原子层薄的材料创造创新型光学腔，标志着光限制和操纵技术的进展。本文探讨使用过渡金属二硫族化合物（TMDs）作为反射镜的Chiral flat- band光学腔的科学原理和应用。
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基本概念和设计
这项技术的基础在于TMD材料（特别是MoSe2）作为原子层薄反射镜时的独特性质。与传统的金属或分布式布拉格反射镜不同，这些基于TMD的反射镜利用了激子的高光学品质。激子是可以与光有效相互作用的电子-空穴对。
图1A和1B展示了纳米腔器件的基本原理，说明了单层MoSe2如何在共振波长处作为反射镜，以及嵌入六方氮化硼（hBN）中的两个TMD反射镜构成的整体器件结构。
器件结构由两个被包裹在hBN层中的单层MoSe2反射镜组成，总厚度为240纳米。这些单层精确地位于范德华异质结构顶部和底部60纳米处。这种精确定位对于实现最佳光限制效果非常重要，并通过硅衬底作为背栅极实现对每层的独立电控。
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器件表征和性能
这些光学腔的光学性能展现出多个显著特征，使其区别于传统光子腔。最引人注目的特征之一是光学模式色散中形成的平带，该平带在不同入射角度下保持恒定。
图2A-E展示了腔体样品的实验表征，包括显微镜图像、反射光谱、光致发光谱，以及理论和实验色散测量结果。
腔体模式在反射光谱中表现为一个窄带压降，证实了电磁模式的限制存在。光致发光谱显示中心发射（X0）与腔体的共振波长一致，同时在较长波长处存在带电激子态（X±）的次级峰。
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磁场诱导手性
这种腔体设计最具创新性的方面之一是在外部磁场作用下表现出手性行为。这种特性源于TMD单层固有的谷依赖光学选择规则和谷塞曼效应。
图3A-C展示了外部磁场诱导的手性行为，显示了不同圆偏振态的反射光谱和模式之间的能量分裂。
当在法拉第构型中施加磁场时，腔体对相反圆偏振（σ+和σ-）表现出不同的响应。磁场使K和-K谷中激子的能量分裂，导致σ+和σ-光具有不同的反射峰。这种磁场可调手性在10特斯拉时达到0.41的反射圆二色性值。
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电调控和热响应
这些光学腔的多功能性还体现在通过电场和热控制机制的可调性上。每个MoSe2反射镜上的独立电接触实现了对腔体共振的精确控制。
图4A-D展示了光学模式的各种调谐机制，包括电栅极效应、泵浦强度依赖性和温度响应。
通过电栅极调控，腔体模式展现出约0.5纳米的连续可调性。光功率也作为一个控制参数，模式在特定阈值强度以下保持稳定，但在更高功率下出现红移和展宽。温度依赖测量显示，在约100开氏度以下性能稳定，模式在4至100开氏度之间展现出约10纳米的调谐范围。
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应用和未来展望
这项技术的影响超越了基础研究范畴，为以下领域提供新的研究方向：
无需复杂光子结构的量子发射器控制手性光物质耦合应用光隔离器和偏振依赖换能器的开发凝聚态系统中集体效应的研究光子系统中新型拓扑效应的创造
原子层薄的特性结合独特的光学性质，使这些腔体在要求精确光控制的纳米尺度应用中具有显著优势。多种调谐机制的存在，加上保持高光学品质的能力，使这些器件在量子光学、通信和传感技术等领域具有重要研究价值。
参考文献
D. G. Suárez-Forero et al., "Chiral flat-band optical cavity with atomically thin mirrors," Science Advances, vol. 10, no. 1, p. eadr5904, Dec. 2024.
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