科学家揭示隐藏量子光态，亮度提升创纪录达30万倍

这一进展有望推动量子计算与光子学领域发展出更快速、能效更高的技术。

纽约市立大学（CUNY）与德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员在现代光学中最难捕捉的现象之一 —— 暗激子的操控方面取得突破。通过使这些此前隐藏的光态明亮且可控地发光，研究团队为开发更快速、更微型、能效更高的技术开辟了新领域。

暗激子是在原子级薄半导体中发现的奇异光-物质状态。它们通常因发光极弱而不可见，但其长寿命和与环境的低相互作用特性，使其成为量子信息与传感应用的理想载体。

为揭示这些隐藏状态，研究团队设计了一种由金纳米管阵列和仅三个原子厚的二硒化钨单层构成的纳米光学腔。这一精密结构将暗激子的光发射强度增强了近30万倍，不仅使其可见，还能在纳米尺度实现操控。

该研究负责人、CUNY研究生中心杰出教授兼爱因斯坦物理学教授Andrea Alù表示：“这项工作表明，我们能够触及并操控此前无法企及的光-物质状态。”他补充道：“通过按需开关这些状态并以纳米精度调控，我们为颠覆性推进下一代光学与量子技术（包括传感与计算）开启了激动人心的机遇。”

电场精准调控

研究团队进一步证明，可通过电场和磁场按需调控暗激子。这种精确控制能力使其能微调发射特性，应用于芯片级光子学、传感器及安全量子通信。与早期通过改变材料性质的方法不同，新技术在保持半导体本征特性的同时，实现了光-物质耦合强度的破纪录提升。

第一作者Jiamin Quan指出：“我们的研究揭示了一类从未被观测到的自旋禁戒暗激子。这仅仅是个开端 —— 它为探索二维材料中更多隐藏量子态开辟了道路。”

破解长期谜题

该发现还解决了纳米光子学领域的一个长期争议。科学家一直质疑等离激元结构能否在不改变暗激子本质的前提下增强其发光。研究团队通过设计精密的等离激元-激子异质结构给出了肯定答案：他们使用纳米级氮化硼薄层分隔金属与半导体材料，在保持激子量子行为的同时实现了发光增强。

该研究获得了美国空军科学研究所、海军研究办公室和国家科学基金会的支持。通过将“暗”光态转化为可控的发光现象，这项研究标志着量子系统向更微型、更快速、能效远超现有光学技术的方向迈出重要一步。

相关成果已发表于《自然·光子学》期刊。

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