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为解决传统微腔 Q/V 值限制量子信息技术发展的问题，研究人员开展魔角光子晶体（MPhC）纳米腔与单量子点（QDs）耦合的腔量子电动力学（CQED）研究，实现 PL 强度增强 8.4 倍、Purcell 因子～3，为高效量子光源提供新平台。
在量子信息领域，光与物质的相互作用研究始终是核心命题。腔量子电动力学（CQED）作为探索量子发射体与腔中光子相互作用的重要方向，其关键挑战在于如何提升微腔的品质因子（Q）与模式体积（V）的比值，以实现更强的耦合效应。传统微腔如光子晶体腔、分布式布拉格反射腔等虽已实现单量子点（QDs）与光的弱耦合及强耦合，但 Q/V 值仍难以突破，限制了高效量子光源、低阈值激光等应用的进一步发展。在此背景下，魔角光子晶体（MPhC）纳米腔因其理论上极高的 Q/V 值，成为突破传统限制的新希望。然而，此前 MPhC 与单 QDs 的耦合实验尚未实现，主要受制于悬浮双层结构易坍塌及纳米腔模式场与 QDs 空间重叠不足等问题。
为攻克上述难题，中国科学院物理研究所、北京大学等机构的研究人员开展了魔角光子晶体纳米腔与单 QDs 的弱耦合研究。相关成果发表在《Nature Communications》上，为固态腔量子电动力学在量子信息处理中的应用开辟了新路径。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过分子束外延技术制备嵌入自组装 QDs 的 GaAs 平板样品，利用高分辨率电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀定义魔角超晶格图案，并通过氢氟酸选择性刻蚀获得悬浮结构；借助 confocal 微光致发光（PL）光谱系统在 4.2 K 低温下测量耦合特性，结合时域有限差分法（FDTD）进行理论模拟优化结构参数，同时利用时间分辨 PL 光谱和二阶关联函数（g2）表征 Purcell 效应及单光子发射特性。
设计与优化魔角超晶格结构
研究人员设计了扭转角为 6.01° 的 MPhC 超晶格，其由两层光子晶体扭转而成。通过调节单层光子晶体的晶格常数 a 和空气孔半径 r，优化了基模的 Q 值与有效面积。理论模拟表明，当 a=314 nm 时，基模 Q 值可达 10?，有效面积提升约 35%，为 QDs 与腔模场的有效耦合奠定基础。不同类型纳米腔（A、B、C、D）的 Q 值表现出差异，其中 A、B 型基模 Q 值更高，成为研究重点。
魔角纳米腔的光致发光光谱表征
扫描电子显微镜（SEM）图像显示，制备的 MPhC 纳米腔厚度为 150 nm，中心嵌入单层 InGaAs QDs。PL 光谱观测到基模（Px、Py）及高阶模（P2-P4），其中基模呈正交线偏振。实验测得基模 Q 值约为 2000，不同纳米腔的模式波长存在微小差异，但整体保持双层扭转晶格的耦合效应。通过调节晶格常数和最外层空气孔间距 δd，进一步优化了结构稳定性与 Q 值，当 a=314 nm、δd=16 nm 时，Q 值可达～2000。
单量子点的 Purcell 增强效应
通过低温下调节温度实现 QDs 与腔模的共振失谐，观测到 QDs 光致发光强度在共振时增强约 8.4 倍。时间分辨 PL 光谱显示，共振时 QDs 寿命从体材料的 906 ps 缩短至 282 ps，对应 Purcell 因子约 3。统计分析表明，非共振 QDs 因光子带隙效应寿命延长，而共振 QDs 发射速率显著提升。二阶关联函数测量显示，耦合后 QDs 的 g2(0) 从体材料的 0.65 降至 0.28±0.10，证实单光子发射纯度提升。
研究首次实验实现了 MPhC 纳米腔与单 QDs 的腔量子电动力学系统，通过结构优化获得高 Q 值基模，并验证了 Purcell 效应及单光子发射增强。尽管实验 Q 值（~2000）与理论值（10?）存在差距，但已展示出 MPhC 在提升 Q/V 值方面的巨大潜力。该工作不仅为高效单光子源、低阈值激光等应用提供了新平台，也为魔角光子学在量子信息处理中的深入研究奠定了基础。未来，进一步优化有效面积与耦合效率，有望推动固态 CQED 向强耦合 regime 迈进，加速量子通信与量子计算的实际应用。
