北大，魔角石墨烯，Nature Nanotechnology

2023年10月12日下午7:12 • 头条, 百家, 顶刊 • 阅读 30

基于范德华异质结构的扭曲电子学已引起广泛关注，一个特殊的系统是扭曲双层石墨烯。在魔角下，扭曲双层石墨烯可以拥有莫尔平坦带，在这个平坦带中，狄拉克点的费米速度变为零，态密度变得很高，这有利于电子之间的强相关性。这样一个有趣的系统为研究强相关材料提供了一个干净有力的平台，并可能有助于阐明超导性能。

莫尔超晶格的光学特性也受到了关注，在扭曲双层石墨烯中，莫尔超晶格已被证明可以作为传播表面等离子体极化子的纳米级光子晶体。在光学非线性晶体中，由光学折射所产生的光子莫尔晶格已被证明能引起光的局域化和非局域化，为控制光的模式和探索周期性-非周期性相位变化提供了强有力的工具。莫尔超晶格也可用来控制声子极化子的色散。

近日，北京大学马仁敏课题组在Nature Nanotechnology上发表最新成果，Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice，提出并演示了一类新的扭曲光子石墨烯超晶格的魔角激光器。

作者用两组扭曲的光子石墨烯晶格在半导体薄膜中绘制纳米结构的魔角超晶格。在强场局域化的魔角激光中，层间耦合将狄拉克锥转换为具有非色散特性的平坦带。与基于单光子晶格的光子晶体缺陷激光纳米腔相比，魔角激光纳米腔有三个显著特征：

首先，魔角激光纳米腔的约束机制并不依赖于全带隙，而是依赖于光子石墨烯晶格的两个扭曲层之间的模耦合。简单的扭转可以产生模体积小于(λ/n)³的高度受限纳米腔，其中λ是自由空间的谐振波长，n是半导体薄膜的折射率。

其次，魔角激光纳米腔的强受限模在光锥下的单光子石墨烯晶格第一个布里渊区边缘有一个平面内主导动量，导致纳米腔的高质量因子值超过40万；

最后，魔角激光纳米腔可以形成比光子晶体缺陷激光纳米腔阵列带宽小得多的平坦带，从而形成紧凑和可重构的纳米激光阵列。

作者演示了在四种不同的扭曲角度下使用魔角激光器，并使用它们的激光发射作为直接探针来表征魔角下的波函数局部化。魔角激光的发射允许直接成像波函数的魔角状态。

单层介质膜中的魔角纳米腔为构建纳米激光器、纳米发光二极管、非线性光学和纳米尺度的腔量子电动力学等高质量纳米腔提供了一个简单而坚固的平台。

图文详情

图1. 魔角激光器的设计与工作原理

图2. 无光子带隙的能带图和模局域化

图3. 魔角激光平带模和非局域模的激光和波函数

图4. 无带隙的场约束机制

图5. 魔角激光的局域特性

文章信息

Mao, XR., Shao, ZK., Luan, HY. et al. Magic-angle lasers in nanostructured 莫尔 superlattice. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00956-7

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