2024年5月21日，浙江大学物理学院应磊研究员与信电学院刘峰研究员和金潮渊研究员合作在《Science Advances》期刊发表了题为“Moiré Cavity-Quantum Electrodynamics”的研究论文。该工作将莫尔超晶格引入腔量子电动力学领域，通过多层莫尔光子晶体实现了量子点单光子发射的高效调控。

研究背景

单光子的产生（如基于量子点等）是光量子技术的核心之一，其单光子产生效率直接决定量子信息处理的性能。传统光学腔（如光子晶体缺陷腔）通过Purcell效应增强发射效率，但受限于极小的模式体积，量子点的位置需精准对准腔场峰值，制备难度极高。此外，传统腔的品质因子（Q因子）易受加工误差影响，难以兼顾高Purcell增强与大空间容忍度。而本文提出的莫尔超晶格因其独特的平带色散关系，理论上可实现无限高的光子态密度，为突破上述瓶颈提供了新思路。

研究亮点

1. 多层莫尔光子晶体设计实现高品质因子莫尔微腔

研究团队提出一种三层维莫尔光子晶体结构（图1A-C），通过精确设计两套晶格常数的叠加形成莫尔平带（图1D）。理论计算表明，该结构的光子态密度（DOS）在固定频率下趋近无限，同时局域态密度（LDOS）在空间分布上高度均匀，解决了传统腔“高Q因子”与“大模式体积”的矛盾（图1F）。

图1. 多层莫尔平带光腔设计与表征。 A. 准一维莫尔光子晶体单元结构。B. 三层莫尔光子晶体单元的扫描电镜（SEM）图像。 C. 五周期莫尔光子晶体阵列的SEM图像。 D. DOS的实验测量与理论计算对比。 E. 光场空间分布理论与实验对比。F. 不同微腔LDOS均匀度对比

2. 腔量子点耦合与大范围辐射寿命的调控

图2. 莫尔平带腔调控量子点单光子发射。 A. 磁场相关的荧光光谱。B. 二阶相关测量。 C. 时间分辨荧光谱。

3. 硅基兼容与规模化潜力

研究团队采用分子束外延技术直接在硅衬底上生长III-V族半导体量子点与莫尔光子晶体，突破晶格失配难题。通过组分调控，未来可将发射波长扩展至通信波段，与硅光子平台无缝集成，为大规模量子光子芯片奠定基础。

总结与展望

莫尔平带光子晶体兼具高态密度与空间鲁棒性，为量子光源设计开辟了新维度。未来，结合金刚石色心、二维材料等固态量子发射器，该技术有望实现高密度阵列化量子光源，推动量子计算、量子通信等领域的应用。此外，通过优化色散匹配，莫尔腔可与光波导高效耦合，助力片上量子网络的实用化构建。

本文的第一作者为浙江大学信息与电子工程学院的王雨桐、浙江大学物理学院的叶启航和浙江大学信息与电子工程学院的鄢军勇。通讯作者为浙江大学的金潮渊研究员、应磊研究员和刘峰研究员。合作单位包括伦敦大学学院、天津大学、中科院半导体所、浙江师范大学和安徽大学。该研究得到了包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多项科研基金的支持。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv8115