纳米级小妙招让“隐形发光粒子”亮度提升30万倍

暗激子形成于超薄半导体材料中，通常因仅释放微弱光线而难以被探测到。不过，科学家一直认为它们在量子信息和先进光子学领域极具潜力，这是因为暗激子与光的相互作用方式独特、稳定性相对较长，且受周围环境的干扰较小，有助于减少退相干现象。

通过纳米尺度设计放大暗激子

为了让这些隐藏的状态“显现”出来，研究人员制造了一个微型光学腔——它由金纳米管与单层二硒化钨（WSe₂，一种仅3个原子厚的材料）组合而成。这种结构将暗激子的亮度惊人地提升了30万倍，使其能被清晰观测到，并且可以对其行为进行精确控制。

“这项工作表明，我们能够获取并操控此前无法触及的光物质态，”首席研究员安德里亚·阿鲁（Andrea Alù）表示，他是纽约市立大学研究生中心的杰出物理学教授、爱因斯坦教授，同时也是该校高级科学研究中心光子学计划的创始主任。“通过随意开关这些隐藏状态并以纳米级分辨率对其进行控制，我们为颠覆性推进下一代光学和量子技术（包括传感和计算领域）开辟了令人兴奋的机遇。”

隐藏量子态的电磁控制

研究团队还证明，这些暗激子可以通过电场和磁场进行切换与调节。这种控制水平有望支持片上光子学、高灵敏度探测器和安全量子通信的全新设计。重要的是，该方法在实现光物质耦合创纪录提升的同时，仍保留了材料的原始特性。

“我们的研究揭示了一类此前从未被观测到的自旋禁阻暗激子，”第一作者全佳敏（Jiamin Quan）说。“这一发现仅仅是个开始——它为探索二维材料中许多其他隐藏的量子态开辟了道路。”

解决等离激元学争议

研究结果还解答了一个长期存在的等离激元学问题：当等离激元结构与暗激子近距离放置时，能否在不改变暗激子基本性质的情况下增强它们。研究人员通过设计一种包含纳米级薄氮化硼层的等离激元-激子异质结构解决了这一问题，事实证明，这种结构对揭示新发现的暗激子至关重要。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室、海军研究办公室和国家科学基金会的支持。