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为解决二维（2D）半导体中激子输运长度受限（<2 μm）的问题，研究人员开展 TMD 与二维光子晶体（PhC）耦合的极化激元输运研究。发现 PhC 极化激元输运长度提升超一个量级（>20 μm），揭示其依赖色散和泵浦强度，为片上光子器件提供新平台。
在微观世界的光与物质交互领域，二维半导体材料的激子输运行为始终是科研人员关注的焦点。然而，传统二维材料中激子受强散射和短相干时间限制，输运长度通常不足 2 微米，这极大制约了其在光电器件中的应用潜力。如何突破这一物理极限，实现激子的长程可控输运，成为凝聚态物理与光电子领域亟待解决的关键科学问题。
为攻克这一难题，研究人员将目光投向激子与光子的相干耦合体系 —— 极化激元（Polariton）。这类由光与物质杂化形成的准粒子，理论上可借助光子模式工程延长输运距离。但传统垂直腔或波导极化激元存在调谐困难、集成度低等缺陷，难以满足片上光子电路的需求。在此背景下，兼具模式可调性与集成优势的二维光子晶体（2D Photonic Crystals, PhCs）成为理想平台。通过将原子级薄的过渡金属二硫族化合物（TMDs，如 MoSe?）与二维 PhCs 结合，研究团队构建了新型极化激元体系，旨在探索其输运特性及调控机制。该研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为二维半导体的激子输运调控开辟了新路径。
研究人员主要采用以下关键技术方法：
- 光子晶体设计与制备：利用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，在 Si?N?薄膜上制备蜂窝状晶格的二维 PhCs，通过调节晶格周期（a=260-440 nm）实现光子能带调控。
- 二维材料转移与封装：采用金胶带剥离法制备大面积 MoSe?单层，通过十二烷醇自组装单层封装，提升光学质量并实现与 PhCs 的高效耦合。
- 光学表征技术：运用共聚焦显微镜系统，结合光致发光光谱（PL）和反射对比光谱（RC），对极化激元的空间分布、能量色散及动量特性进行原位测量。
结果分析
极化激元输运特性与激子的对比
通过对比 MoSe?在 PhC 与平面 Si?N?衬底上的光致发光特性，发现平面衬底上激子输运局限于 1-2 微米，而 PhC 上极化激元可覆盖整个光子晶体区域（数十微米）。光谱显示，PhC 极化激元能量展宽超 100 meV，对应强色散特性，证实其长程输运源于激子与光子的强耦合效应。
色散关系对输运的调控作用
研究团队设计了三种不同晶格周期的 PhC（c1、c2、c3），其极化激元分别呈现正质量、平带和负质量色散。实验表明，具有陡峭色散的 c1 和 c3 型 PhC 中，极化激元群速度更大，输运长度显著长于平带结构的 c2。这一差异源于不同色散下的弛豫过程：平带区域因态密度高导致弛豫瓶颈，而负质量色散允许激子持续向低能态弛豫，从而实现更长距离输运。
泵浦强度依赖的受激弛豫现象
在 PhC c1 中研究泵浦功率对输运的影响时发现，当功率超过 50 μW 阈值后，极化激元发射能量显著红移，输运长度从 2.5 微米跃升至 20 微米。这种非线性行为归因于玻色子受激散射引发的高效弛豫，低能态极化激元需更高功率才能克服弛豫阈值。该现象揭示了极化激元体系中非线性散射过程的重要性，为实现无摩擦输运的超流体极化激元提供了实验依据。
体系普适性与应用潜力
研究进一步证实，该长程输运现象不仅存在于 MoSe?，还可扩展至 MoS?、WSe?等其他 TMD 材料，且在室温下依然有效。这表明二维 PhC - 极化激元体系具有广泛适用性，为构建室温下工作的片上极化激元器件奠定了基础。
结论与意义
本研究通过二维光子晶体与过渡金属二硫族化合物的耦合，实现了极化激元输运长度的数量级提升（从微米到超 20 微米），揭示了色散关系与泵浦强度对输运的双重调控机制。受激弛豫现象的发现为极化激元超流体的制备提供了新途径，而 PhC 的可设计性则为片上光子能量传输、拓扑保护相位及低损耗器件的开发开辟了多元路径。该工作不仅深化了对二维体系中光 - 物质相互作用的理解，更有望推动下一代集成光子学与量子信息器件的革新。未来，通过进一步优化 PhC 结构与材料界面，极化激元输运特性有望得到更精准调控，为实现高效能光电子器件提供关键技术支撑。
