光与物质的相互作用是现代物理与信息技术的核心科学问题之一。在传统的腔量子电动力学体系中，耦合强度通常受限于光场模式体积与态密度。随着腔体或晶格尺寸的增大，光场逐渐去局域化，导致光与物质的作用强度迅速减弱。如何在扩展光子器件规模的同时维持甚至增强耦合强度，是实现大规模光子集成器件的重要挑战。

 光子平带因其近零色散、极高态密度和空间局域性而备受关注，被认为有望增强光与物质相互作用。但此前相关研究多停留在弱耦合区域。在强耦合区，平带是否能增强耦合，及其增强的物理本质是什么？这些问题此前尚未得到明确验证。

 针对这些问题，浙江大学物理学院王逸璞课题组提出并实现了利用光子平带增强磁振子-光子耦合的方案，并揭示了在强耦合区平带导致的“耦合钉扎（Coupling Pinning）效应”。

 为构造光子平带，研究团队利用微波频段的开口谐振环（图1b）构建了如图1a所示具有平带的一维 Lieb 光子晶格和作为对照的紧束缚晶格（图1f）。通过精确调控相邻谐振环的间距（图1c,d），Lieb 晶格显示出一个孤立且高态密度的平带模式 (图1e)。而作为对照的紧束缚晶格则只有色散模式（图1g）。

图1. 光子晶格的设计和表征

在此基础上，研究团队将钇铁石榴石（YIG）小球置于晶格格点，展示光子与磁振子（magnon）的强耦合。团队首先在理论上揭示了在强耦合区，平带增强光与物质相互作用的原理为一种类Dicke超辐射过程（图2a）。在平带中，同一频率下存在N重简并的光子模式。磁振子同时与这 N 个模式耦合，可等效为仅与它们叠加形成的“亮模”相互作用，而与其余“暗模”完全脱耦。由于集体增强效应，有效耦合强度呈数量级提升。亮模在磁振子所处格点附近高度局域（图2d），而暗模在此处分布为零（图2e）。实验上，研究团队分别在具有平带的 Lieb 晶格（图2b）和仅含色散带的紧束缚晶格（图2c）中测量局域态密度（LDOS）谱。通过扫描偏置磁场调谐磁振子频率，清晰观测到拉比分裂，分裂的大小表征光子与磁振子的强耦合。更为奇妙的是，两种晶格呈现出截然不同的尺寸行为：在紧束缚晶格中，随着晶格长度增加，单个模式场强被稀释，耦合强度逐渐衰减（图2c,f）；而在 Lieb 晶格中，N重简并带来的耦合集体增强恰好抵消了模式稀释效应，使得即使在晶格规模不断扩大的情况下，耦合强度依然保持在高位而不衰减（图2b,f）。这一抗尺寸衰减的现象被命名为“耦合钉扎”效应。

图2. 平带增强的磁振子-光子强耦合与耦合钉扎效应

在验证单层平带增强机制后，研究团队进一步展示了其可扩展性。通过将两个平带晶格上下交错堆叠，并将 YIG 小球夹在两层之间（图3b），使来自两层的亮模同时参与耦合，实现进一步的耦合增强（图3b）。实验结果显示，耦合强度从单层的 86 MHz（图3c）提升至双层的113 MHz（图3d），展示了平带增强机制在多层集成结构中的潜力。

图3. 利用双层堆垛平带晶格进一步增强耦合

该研究首次在强耦合区域揭示了光子平带对光与物质相互作用的集体增强机制与耦合钉扎效应，展示了光子平带可作为实现和维持强光与物质相互作用的一种可扩展平台，在大规模光子集成及功能性器件方面具有潜在应用价值。

 相关成果以“Strong magnon-photon coupling enhanced by photonic lattice flat-bands”为题近期发表在《Nature Communications》。浙江大学物理学院博士生洪旗为论文第一作者，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。

 文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69326-y