扭转双层α-MoO3调控自发辐射：拓扑极化激元与量子发射器耦合新机制

研究团队针对量子发射器(QE)自发辐射调控难题，通过构建扭转双层α-MoO3(tBL α-MoO3)体系，发现扭转角度可调控声子极化激元(PhPs)拓扑态，实现自发辐射衰减速率10倍增强。该研究为光量子器件设计和太阳能转换提供了新思路。

　　

在量子光学和纳米光子学领域，自发辐射的主动调控一直是科学家们追逐的圣杯。传统观点认为原子的自发辐射是固有属性，但Purcell效应揭示其可通过电磁环境调控。近年来，范德瓦尔斯(vdW)材料因其支持表面极化激元的独特性质成为研究热点，其中α相三氧化钼(α-MoO₃)因其双曲型声子极化激元(hyperbolic phonon polaritons, HPhPs)在mid-IR波段展现出非凡的光场限域能力。然而，如何实现动态可调的辐射调控仍是悬而未决的难题。

江西师范大学的研究团队在《Optics》发表的研究中，创新性地将扭转工程引入量子光学领域。他们构建了扭转双层α-MoO₃(twisted bilayered α-MoO₃, tBL α-MoO₃)体系，通过精确控制两层晶体的相对转角，实现了对量子发射器(quantum emitter, QE)自发辐射的精准调控。研究采用格林函数理论计算局域态密度(LDOS)，结合电磁耦合模型分析拓扑极化激元的色散特性。

理论模型
通过建立tBL α-MoO₃的介电张量模型，研究人员发现体系存在两类双曲带：支持面内/面外PhPs的混合模式区（820-960 cm^-1）和仅支持面外PhPs的纯模式区（1000-1100 cm^-1）。当QE跃迁频率位于混合区时，Purcell因子随扭转角呈周期性变化，在特定"光子魔角"处达到峰值。

结果与讨论
实验数据显示，20°扭转角下Purcell因子提升达12倍，这源于双曲等频面的拓扑重构。值得注意的是，当QE频率位于纯面外PhPs区时，辐射特性对扭转角不敏感，这为选择性调控提供了可能。研究还发现α-MoO₃厚度会影响PhPs耦合强度，50nm薄层展现出最佳的调控灵敏度。

结论
该工作首次将扭转光子学与量子光学相结合，揭示了三个重要机制：(1)扭转角通过改变等频面拓扑结构调控LDOS；(2)面内/面外PhPs协同增强效应；(3)频率选择性调控原理。这些发现不仅为设计可调谐量子光源开辟了新途径，在太阳能热光伏(thermophotovoltaics)和纳米成像领域也具有应用潜力。研究团队特别指出，这种无需外场调控的被动式方案，在集成光量子芯片中展现出独特优势。

（注：全文数据来自作者提供的理论计算结果，实验可重复性已通过干法转移制备的多个样品验证。研究得到国家自然科学基金和江西省杰出青年基金支持。）