二维半导体微腔中强光-物质相互作用的飞秒切换：低能量阈值下的极化子调控新策略

研究人员通过将过渡金属二硫化物(TMD)双层结构嵌入低Q值微腔，实现了强耦合(SC)与弱耦合(WC)态的超快切换（<55 meV能隙调控），仅需4 pJ/脉冲的超低能量阈值。该工作利用双层MoS2特有的层间激子(hIX)与层内激子(XA-BL)相互作用，创下250 GHz切换频率记录，为紧凑型全光逻辑电路和神经网络的极化子信息处理提供了新平台。

　　

在追求超越电子器件速度极限的道路上，全光逻辑器件因其基于光-物质相互作用的超快响应特性而备受瞩目。然而传统方案面临两难困境：要实现激子极化子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)需要高Q值谐振腔和高脉冲能量（数十至数百皮焦），而基于光学非线性的开关器件又难以兼顾低能耗与高开关对比度。这一困境在神经形态计算和光互连技术快速发展的今天显得尤为突出。

米兰理工大学（Politecnico di Milano）Giulio Cerullo团队与谢菲尔德大学Alexander I. Tartakovskii团队合作，在《Nature Communications》发表的研究中另辟蹊径，利用过渡金属二硫化物(TMD)双层结构的独特性质，在低Q值微腔中实现了创纪录性能的极化子开关。研究人员选择MoS₂双层而非单层作为核心材料，因其兼具三大优势：超快激子弛豫（50%激子种群在2 ps内衰减）、增强的非线性效应（库仑偶极-偶极相互作用和相空间填充），以及具有高振子强度的杂化层间激子(hIX)。通过精确设计hBN封装的双层MoS₂微腔结构，实现了42 meV（XA-BL）和23 meV（hIX）的双Rabi分裂。

研究团队采用飞秒瞬态反射(TR)光谱技术，结合传递矩阵法(TMM)分析，系统表征了微腔中极化子态的动力学过程。关键实验突破包括：1）通过角分辨光谱确认双反交叉现象；2）利用窄带泵浦-宽带探测技术追踪强耦合态演化；3）采用双脉冲方案验证高频切换能力。特别设计的双MoS₂双层微腔结构将Rabi分裂提升至55 meV，为增强开关对比度奠定基础。

研究结果部分揭示了一系列重要发现：

1. 超快强耦合切换：当1.94 eV泵浦光共振激发XA-BL时，MPB和LPB在250 fs内发生27 meV蓝移和14 meV红移，合并为单峰（图2c）。通过TMM模拟证实，这种坍塌源于激子非线性饱和效应，恢复动力学呈现双指数特征（快成分1 ps，慢成分100 ps），与激子种群衰减直接相关。

2. 能量阈值调控：泵浦能量在3.75 pJ时即可实现SC-WC转变，且弱耦合时间窗口随能量增加而延长（图3c）。理论模型显示，长寿命暗态激子对相空间填充的贡献是慢恢复过程的主因。

3. 双模式激发：选择性地激发hIX（2.0 eV）仍可导致XA-BL极化子能隙坍塌（图4b），这源于两者共享价带空穴导致的泡利阻塞效应。该模式展现出更快（<1 ps）的SC恢复速度，预示THz级切换潜力。

4. 性能优化：双MoS₂双层微腔将最大消光比提升至7.5 dB（图5e），且在1.915 eV处获得最优开关对比度。负失谐设计使LPB线宽减小，进一步改善器件性能。

这项研究的意义不仅在于创造了4 pJ/脉冲的低能耗记录和250 GHz的高频切换能力，更开辟了极化子调控的新维度。通过利用TMD双层特有的层间-层内激子相互作用，实现了波长可编程的开关逻辑。所展示的飞秒级强耦合切换为研究非厄米系统中的异常点（exceptional points）提供了新途径，对探索耗散相变等量子现象具有启示意义。未来通过优化谐振腔Q值、抑制暗态激子形成，或引入moire异质双层结构，有望将性能推向THz时代，为全光神经网络和量子信息处理提供关键元器件基础。