拓扑极化激元超材料在体相过渡金属二硫族化物晶体中的实现及其量子技术应用潜力

这篇开创性研究首次在体相WS2晶体中实现了单块式拓扑极化激元（TP）超材料，通过纳米图案化设计展示了自旋霍尔型（Z2）拓扑相。该工作利用过渡金属二硫族化物（TMD）的高折射率和激子特性，在可见光波段实现了兼具强光-物质相互作用和优异场局域能力的拓扑绝缘体，为集成极化激元量子电路提供了新平台。低温测量显示边界态传播距离超过12μm，证实了其在量子技术应用中的潜力。

　　

1 引言

近年来，拓扑光子学系统因其通过人工自由度（赝自旋）控制电磁波的独特能力而备受关注。在更广泛的背景下，这些系统不仅为测试拓扑多物理场理论模型提供了平台，还催生了拓扑激光器、非厄米系统和非线性拓扑相等重要技术应用。与此同时，光与低维纳米系统中各种本征物质自由度的强耦合，形成了被称为极化激元的"半光-半物质"准粒子态。其中，范德瓦尔斯（vdW）材料特别是过渡金属二硫族化物（TMD）单层中的激子，因其优异的电子光学性质成为量子光子学应用的研究焦点。

传统基于单层TMD材料的异质结构存在明显局限：需要高精度转移工艺，且在高折射率纳米结构中光学损耗较大。本研究创新性地采用体相TMD晶体构建单块式拓扑极化激元超材料，其极化激元响应源于TMD材料介电常数中的激子贡献，而非传统异质结构中的双共振系统。这种设计既实现了光学场的极端局域化，又保持了适中的损耗水平。

2 结果

研究团队设计了一种基于体相WS₂晶体的拓扑极化激元超材料（TPM），其六方晶胞由三角形孔阵列构成。通过电子束光刻和反应离子刻蚀工艺，在25-40nm厚的WS₂薄膜上制备了具有自旋霍尔型（Z₂）拓扑相的晶格结构。该系统包含收缩（平庸）和膨胀（拓扑）两种域，通过调节单元中心偏移参数R（R>3为平庸域，R<3为拓扑域）实现能带反转。

傅里叶空间成像揭示了明显的能带反转现象：拓扑域的上能带（偶极模式）与平庸域的下能带（四极模式）表现出辐射特性反转，这是拓扑转变的特征标志。通过构建3×3连续狄拉克模型，研究者成功描述了该混合系统的长波长行为，其中BHZ模型块与平坦带激子共振耦合。数值模拟显示，在膨胀六聚体情况下，中低频色散分支具有非零整数拓扑不变量（陈数）。

低温（5K）测量显示，激子模式从室温下的625nm蓝移至610nm，线宽明显变窄。这种变化使得25nm薄样品中极化激元边界态的传播距离从室温下的5μm显著增加至12μm以上。通过计算激子能量分数，证实接近激子线的体相模式中激子贡献可达11%，边缘态中甚至超过10%。

3 结论

这项工作首次在体相WS₂晶体中实现了单块式拓扑极化激元超材料，相比基于单层TMD的异质系统具有显著优势：室温下即可观测拓扑激子极化激元相、更长的模式传播距离、更强的热可调性以及更好的可扩展性。该平台为探索集成光子器件中的可调光-物质相互作用提供了新途径，特别是在量子信息科学和量子模拟应用中展现出巨大潜力。

4 实验方法

研究采用机械剥离法制备25-55nm厚的WS₂晶体，通过白光反射测量和原子力显微镜确定厚度。电子束光刻采用ZEP520A-7抗蚀剂，结合Ar/SF₆等离子体刻蚀（60W RF偏置功率）实现40nm深纳米图案。光学表征使用定制显微系统，配备0.9NA物镜和光谱仪（600线/mm光栅），低温测量在5K闭循环恒温器中进行。边界态传播通过空间滤波技术和可调谐激光（5nm线宽）实时成像。