在现代化信息社会基础设施中，小型化激光器发挥着核心作用。激光器小型化在波长尺度之外的突破为各种应用以及极端光学场定位和激光模式工程中的光物质相互作用研究开辟了新的机会。微型激光器研究的最终目标是开发可重构的相干纳米激光器阵列，以同时提高信息容量和功能。然而，缺乏适合的物理机制来重新配置纳米激光器腔体阻碍了单腔或固定阵列中纳米激光器的演示。
鉴于此，近日来自北京大学马仁敏教授领导的研究团队在Nature上以Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization为题发表重要文章，提出并展示了基于扭曲光子石墨烯格子中的光学平带的莫尔纳米激光器阵列，其中从单个纳米腔体到可重构的纳米腔体阵列实现了相干纳米激光。研究人员观察到同步的纳米激光器阵列显示出高空间和光谱相干性，在一系列不同图案上，包括P、K和U形状以及汉字“中”和“国”（中文中的“中国”）。此外，该研究团队还能够操纵纳米激光器阵列的发射方向。这一工作为开发具有通信、激光雷达（光探测和测距）、光学计算和成像等潜在应用的可重构有源器件奠定了基础。
图1. 能够极化激元激发的典型范德华（vdW）材料。
图源： Nature 624, 282–288 (2023).
莫尔超晶格，作为一种特殊的周期性结构，其形成源于两个晶格常数不匹配或发生扭曲的晶格叠加。这种叠加方式会导致晶格中出现特殊的周期性变化，从而形成一种新的能带结构。在莫尔超晶格中，能带结构的特性使得电子、光子和声子等粒子的运动行为受到强烈的影响。
电子学领域：在电子学领域，莫尔超晶格的发现和研究带来了对电子运动行为的新理解。由于莫尔超晶格独特的能带结构，电子在其中呈现出独特的量子态，这为电子器件的设计和优化提供了新的思路。例如，通过调整莫尔超晶格的结构，可以实现对电子运动的有效调控，从而提高电子器件的性能。
在光子学领域，莫尔超晶格的出现为光子控制和光子器件的设计带来了革命性的突破。由于莫尔超晶格能够实现对光子行为的精细调控，这使得光子器件的效率得到了显著提高。同时，莫尔超晶格在光子晶体、光子集成电路等领域也展现出巨大的应用潜力。
在声子学领域，莫尔超晶格对声子的行为产生了深远的影响。通过对莫尔超晶格的精心设计，可以实现声子的有效操控，这对于发展新型声学器件和声波导具有重要意义。例如，利用莫尔超晶格可以设计出具有优异性能的声学滤波器、声波导和声子晶体等。
图2.U型锁模莫尔纳米激光阵列。
图源：Nature 624, 282–288 (2023).
莫尔超晶格的倒格矢量诱导的层间耦合为操纵布洛赫模式和定制材料属性提供了一个新的自由度。在电子莫尔超晶格中，已经在范德瓦尔斯异质结构中观察到了霍夫施塔特蝴蝶、界面极化子和莫尔激子等新兴现象。
特别有趣的是，在魔角扭曲的双层石墨烯中，层间耦合诱导了平坦带，其中量子动力学能量被淬灭。这种现象已经被观察到导致关联绝缘和超导状态。最近在光子莫尔超晶格方面的进展也显示了平坦带的出现，通过扭曲两个光子晶格可以操纵系统的属性。
平坦带是指周期介质中不表现出色散的布洛赫带。这些带在实空间中具有基本的紧凑局部状态，具有高度的简并性，不仅存在于带隙中，而且存在于连续体中。值得注意的是，这些局部状态的简并性使得它们的任何叠加也可以是系统的静态本征态，为开发具有出色灵活性的可重构光学设备提供了前所未有的途径。
然而，这一显著特征仅在被动波导系统中得到实现。在主动系统中，平坦带诱导的定位仅用于在单个莫尔单元细胞中实现纳米激光。与被动系统中的输入激光束控制不同波导之间的相对相位不同，主动系统中的相位锁定通过不同激光器之间的模式耦合而自发出现，这需要精心设计光腔和精确的实验实施。
在这篇文章中，研究人员报告了一种新型的莫尔纳米激光器阵列，其中可以在主动结构中生成任何所需的图案，不仅产生激光，而且确保由于动量空间中带的平坦性，不同激光斑点之间的相位一致。研究人员的研究结果表明，这种方法为创建能够进行相位锁定的可重构纳米激光器阵列提供了一种有效的方法，从而实现了具有不同图案的阵列之间的同步纳米激光器（图1）。
莫尔纳米激光器阵列的一致性通过远场模式中的定向发射和空间解析光谱中的单模激光得到证实。此外，研究人员还展示了莫尔纳米激光器阵列中的光束转向，其中发射方向由纳米激光器的空间相对相位控制。
图3. 莫尔纳米激光的制备过程。
图源：Nature 624, 282–288 (2023).
为了实现莫尔超晶格中的光子态的相干控制，研究人员首先构造一个基于纳米结构莫尔超晶格的光子平坦带的莫尔纳米激光阵列。在该结构中，研究人员引入了两组具有扭曲角度的光子石墨烯晶格到同一半导体多量子阱（MQWs）的膜中。该膜的厚度为200纳米。两个扭曲的晶格之间的扭曲角度为9.43°。
形成的莫尔超晶格的晶格常数为3.041微米。莫尔超晶格在实空间中的周期性产生了莫尔倒易格矢量，通过这些格矢量，不同动量的扭曲晶格中的布洛赫模可以相互耦合。这种耦合导致莫尔布洛赫模包含不同的波矢量，在实空间中形成局域波函数，并在能量带图中形成平坦带。这与正常的光子晶体形成鲜明对比，其中布洛赫模是离散的。
为了验证平坦带引起的场局域化，研究人员在构建的莫尔超晶格的单个单元细胞中展示了纳米激光。在光学泵浦下，观察到了具有强烈局域波函数的单个腔室纳米激光发射。根据三维全波模拟，在单个莫尔单元细胞中的偶极平坦带模式具有0.016λ3的模体积。
研究人员选择相对较大的扭曲角度（9.43°）来构建具有较小莫尔超晶格晶格常数的莫尔超晶格。尽管具有较小扭曲角度的莫尔超晶格具有较窄的平坦带宽，但其占用的空间更大，并且同步纳米激光对制造缺陷更敏感。
总之，在这项工作中，研究人员提出并演示了一种利用平带叠加特性创建可重构有源光子器件的莫尔纳米激光器阵列。通过在单个莫尔单元细胞中的纳米激光发射，研究人员验证了平带引起的场局域化，以及在水平和垂直方向上的强场局域化，以及群折射率超过100的慢光。研究人员通过实现各种模式的可重构莫尔纳米激光器阵列，包括P、K和U形以及汉字“中”和“国”，证明了研究人员的方法的有效性，同时保持了高空间和光谱相干性。此外，通过构建平带局域化模式的相位依赖叠加，研究人员演示了能够控制辐射方向的相控阵纳米激光器。研究人员的结果为构建用于通信、计算和光谱学应用的光子相控阵纳米激光器的复杂结构提供了一条有前途的途径。
参考文献：Luan, HY., Ouyang, YH., Zhao, ZW. et al. Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization. Nature 624, 282–288 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06789-9
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