范德华异质结中石墨烯-石墨栅极等离子体自腔模式的超强耦合电动力学

《Nature Physics》：Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures

　　本刊推荐：为解决范德华异质结低能电动力学中内置等离子体自腔效应的探测难题，研究人员开展了基于片上太赫兹光谱的腔电动力学研究。结果表明，通过载流子密度调控，石墨烯与石墨栅极等离子体腔模式在超强耦合区（η = g/ν0 > 0.1）发生杂交和谱重转移，并建立了涵盖几何与介电环境的解析模型。该研究为通过腔设计调控量子材料提供了新途径。

　　

在二维材料研究领域，范德华异质结（van der Waals heterostructures）通过机械堆叠不同单层材料，展现出超导、二维磁性和分数量子霍尔效应等丰富的量子现象。这些现象通常可通过静电栅极（electrostatic gates）进行原位调控，而栅极与二维材料本身会形成等离子体自腔（plasmonic self-cavities），将太赫兹频段的光限制在亚波长尺度内。然而，由于器件尺寸远小于相关波长，探测这些内置腔模式与材料之间的耦合机制一直面临巨大挑战。近日发表于《Nature Physics》的研究通过创新的片上太赫兹光谱技术，首次揭示了石墨烯-石墨异质结中等离子体自腔模式的超强耦合效应，为腔控量子材料奠定了实验基础。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先利用原子力显微镜阳极氧化光刻（atomic force microscope anodic oxidation lithography）对石墨烯和石墨进行精确图形化，并通过干法转移技术构建异质结；随后结合光学光刻与反应离子刻蚀制备共面波导传输线（coplanar strip transmission line），并在蓝宝石衬底上集成非晶硅太赫兹天线与光电导开关（photoconductive switches），实现0.05–1 THz频段的片上时域太赫兹光谱测量；最后通过洛伦兹拟合和解析理论模型分析腔电导率（cavity conductivity）与模式耦合强度。

腔设计与谱读出

研究人员设计了一种对称共面波导传输线结构，通过太赫兹天线注入奇模太赫兹脉冲，并利用双探测臂实现腔信号与参考信号的同步测量。

通过傅里叶变换计算传输系数，反演出异质结的近场太赫兹电导率（即腔电导率）。结果显示，裸石墨腔在ν₀处出现洛伦兹共振峰，源于二维等离子体驻波在金属条带下的约束。研究还建立了解析模型，指出典型尺寸（<100 μm）的范德华异质结均处于腔响应区，而非金属的Drude响应区。

栅压可调石墨烯等离子体模式的光谱解析

通过设计将石墨腔共振频率（≈1.13 THz）置于测量频段外，研究人员成功分离出石墨烯层的等离子体自腔模式。

随着载流子密度n增加，实部电导率谱中出现三个共振峰（s=0,1,2），对应石墨烯层不同阶数的等离子体腔模式。s=0模式的频率缩放关系符合狄拉克能带预期（ν∝n^0.23±0.03），而s=1,2模式因与石墨腔模式杂交出现抑制性缩放（≈0.11–0.12）。电磁仿真进一步揭示，s=3,4模式在实验范围外与石墨腔模式形成避免交叉（avoided crossing）。

等离子体集体模式的超强腔耦合

通过减薄石墨与六方氮化硼（hBN）层，使石墨腔模式（m=0）与石墨烯s=2模式在0.43 THz处共振。

实验观察到两者杂交产生50±5 GHz的能隙，对应归一化耦合强度η_exp=0.12±0.01，进入超强耦合区（ultrastrong coupling regime）。谱重分析显示，上支（upper polariton branch）谱重随n增加向下支（lower branch）转移，证实耦合对系统电动力学性质的修饰作用。解析理论计算与实验结果高度吻合（η_theory=0.11±0.05）。

可调腔耦合机制

研究通过解析模型提出两种腔设计范式：

当传输线间隙W₂远小于金属条宽度W₁时（α《1），动量守恒保持，腔处于“传感模式”，可探测未扰动的样品电动力学；当扩展二维材料区域宽度W₀并增大W₂时（α≈1），平移对称性破缺使石墨烯与石墨腔模式空间重叠，耦合强度可提升至η>0.18，实现“腔控制”功能。

结论与展望

本研究首次实验证实了范德华异质结中内置等离子体自腔效应的普遍性，并实现了石墨烯-石墨栅极模式的超强耦合。所开发的片上太赫兹光谱平台兼具复杂电导率测量、耦合强度读取和直流输运关联能力，为理解腔耦合对量子基态的影响提供了实验途径。通过几何设计调控耦合强度的策略，可进一步应用于等离子体玻色-爱因斯坦凝聚、极化子凝聚及太赫兹单光子探测等新功能开发，为二维量子材料的腔控物性研究开辟了新方向。