二維器件具有隱藏的腔體，可以改變電子行為

范德瓦爾斯（van der Waals, vdW）異質(zhì)結(jié)這一新興領(lǐng)域徹底改變了凝聚態(tài)物理學(xué)，它提供了對二維材料前所未有的控制。通過機械堆疊原子級薄層——例如石墨烯、六方氮化硼（hBN）和過渡金屬二硫化物——研究人員可以設(shè)計出具有定制電子、光學(xué)和磁性特性的材料。這些異質(zhì)結(jié)是孕育新興量子現(xiàn)象的沃土，從分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)到莫爾驅(qū)動的關(guān)聯(lián)相。至關(guān)重要的是，許多這些引人入勝的低能動力學(xué)發(fā)生在μeV到meV的能量尺度上，對應(yīng)于吉赫茲 (GHz) 到太赫茲 (THz) 的頻率范圍。

多年來，用于控制載流子密度和探測這些 vdW 器件的靜電柵極和金屬接觸被認(rèn)為僅僅是電子電路中的被動元件。然而，一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這一假設(shè)，揭示了器件架構(gòu)本身——特別是有限尺寸的金屬柵極——可以自發(fā)地形成等離激元自腔（plasmonic self-cavities）。這一認(rèn)知將 vdW 異質(zhì)結(jié)置于腔量子材料這一新興領(lǐng)域的核心，其中電磁環(huán)境的量子真空被用作一種新工具，來修改和引導(dǎo)材料的固有性質(zhì)。

看不見的腔體：亞波長自約束

“自腔”的概念根本上源于微結(jié)構(gòu)化金屬組件（通常是用作柵極的少層石墨薄片）的有限尺寸。這些組件的特征尺寸與 THz 光的波長相比是微小的。在這個深亞波長區(qū)域，金屬柵極不再僅僅是導(dǎo)電；它們約束和支持集體電荷振蕩的駐波，這種駐波被稱為等離激元腔模式或等離激元自腔。

這些內(nèi)置腔模式的共振頻率自然地落在了GHz-THz范圍內(nèi)，恰好與被柵控的 2D 材料中的低能激發(fā)（如等離激元、聲子或磁振子）處于相同的能量尺度。這種能量上的趨同是實現(xiàn)強光-物質(zhì)耦合的第一個關(guān)鍵要素。第二個要素是亞波長幾何結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的極端電磁場約束，它顯著增強了電場強度，從而提高了耦合效率。

超強耦合作為標(biāo)志性現(xiàn)象

證明這種固有腔電動力學(xué)相關(guān)性的決定性證據(jù)是超強耦合 (ultrastrong coupling, USC) 的觀測。在腔量子電動力學(xué)（cQED）的傳統(tǒng)強耦合區(qū)域中，光（腔）模式和物質(zhì)（材料激發(fā)）模式之間相干的能量交換速率g快于腔和物質(zhì) 的衰減速率。在 USC 區(qū)域，耦合強度g變得可與甚至超過物質(zhì)激發(fā)的躍遷能量ω?。

探測這種自腔效應(yīng)的關(guān)鍵實驗突破是片上太赫茲光譜技術(shù)的利用。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲光譜不適用于比光波長小得多的器件。片上光譜技術(shù)，通常涉及與 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)直接集成的共面帶狀線，可以約束和引導(dǎo)太赫茲輻射，從而使探針能夠有效地與亞波長腔模式相互作用。

在涉及石墨烯薄片與微結(jié)構(gòu)化石墨柵極電容耦合的實驗中，USC 的光譜特征是明確無誤的：

1. 避免交叉：當(dāng)通過柵極電壓 (Vg) 調(diào)節(jié)石墨烯中的載流子密度時，裸石墨烯等離激元頻率 (ωpl) 也隨之調(diào)節(jié)。當(dāng)ωpl接近石墨自腔的固定共振頻率 (ωcav) 時，兩種模式不會交叉，而是相互排斥，在能譜中產(chǎn)生一個間隙。這種避免交叉是兩種強雜化態(tài)——極化激元——的標(biāo)志。
2. 譜權(quán)重轉(zhuǎn)移：所產(chǎn)生的雜化極化激元模式繼承了光（腔體等離激元）和物質(zhì)（石墨烯等離激元）的特性。避免交叉點的能量分裂 (ΩRabi =2g) 揭示了耦合強度g，該強度被發(fā)現(xiàn)足以將系統(tǒng)牢固地置于 USC 區(qū)域。

對量子材料科學(xué)的啟示

金屬柵極作為活性等離激元腔的揭示不僅僅是一個學(xué)術(shù)上的好奇；它對量子材料的理解和未來工程設(shè)計具有深遠(yuǎn)的影響：

1. 對低能物理的必要重新解釋

vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的許多新興量子現(xiàn)象，如超導(dǎo)性、關(guān)聯(lián)絕緣體和新穎的磁性狀態(tài)，存在于與自腔模式相同的μeVmeV能量窗口內(nèi)。USC 的實驗觀測表明，二維材料的裸態(tài)、固有動力學(xué)總是 會被金屬柵極的鄰近性所修改。因此，對在柵控 vdW 器件上獲取的傳輸或光學(xué)數(shù)據(jù)的任何嚴(yán)格解釋，都必須考慮到激發(fā)的極化激元性質(zhì)，其中電子態(tài)與柵極的腔模式混合。測量的特性不是孤立材料的特性，而是耦合光-物質(zhì)混合系統(tǒng)的特性。

2. 通過腔體控制基態(tài)的途徑

USC 區(qū)域為材料控制開辟了一條變革性的新途徑。在這種深度耦合限制下，甚至腔場的量子真空漲落都可以被修改和利用，以改變材料的基態(tài)和相變，這種概念被稱為“黑暗”腔體控制。通過確定性地塑造 vdW 堆疊的幾何形狀和組成（例如，控制間隙厚度或柵極材料），研究人員可以調(diào)整腔體參數(shù)（ωcav和g）以：

• 誘導(dǎo)或抑制相變：理論研究提出，腔體誘導(dǎo)的聲子模式軟化可以增強鐵電甚至超導(dǎo)相。
• 操縱激子和等離激元動力學(xué)：極化激元的形成可以從根本上改變材料內(nèi)的能量傳輸和弛豫路徑。

3. 賦能新型 THz 應(yīng)用

在這些亞波長結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的強大約束和超強耦合為高度緊湊和高效的 THz 器件提供了平臺。僅通過改變柵極電壓就能將激發(fā)模式的性質(zhì)從類物質(zhì)切換到類光的潛力，為以下方面提供了新的可能性：

• 快速、低功耗的 THz 調(diào)制器。
• 高度靈敏的 THz 探測器，它利用增強的極化激元響應(yīng)。

總而言之，vdW 異質(zhì)結(jié)的腔電動力學(xué)是一場范式轉(zhuǎn)變。它將普通的靜電柵極從靜態(tài)電極提升為一個動態(tài)的量子光學(xué)元件。這種固有的光-物質(zhì)相互作用迫使我們重新評估現(xiàn)有關(guān)于量子材料的數(shù)據(jù)，同時解鎖了一個強大的新自由度——腔體工程——來塑造下一代電子和光子量子技術(shù)的低能物理學(xué)。