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）異質結這一新興領域徹底改變了凝聚態物理學，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——研究人員可以設計出具有定制電子、光學和磁性特性的材料。這些異質結是孕育新興量子現象的沃土，從分數量子霍爾態到莫爾驅動的關聯相。至關重要的是，許多這些引人入勝的低能動力學發生在μeV到meV的能量尺度上，對應于吉赫茲 (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為僅僅是電子電路中的被動元件。然而，一項里程碑式的發現挑戰了這一假設，揭示了器件架構本身——特別是有限尺寸的金屬柵極——可以自發地形成等離激元自腔（plasmonic self-cavities）。這一認知將 vdW 異質結置于腔量子材料這一新興領域的核心，其中電磁環境的量子真空被用作一種新工具，來修改和引導材料的固有性質。

看不見的腔體：亞波長自約束

“自腔”的概念根本上源于微結構化金屬組件（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。在這個深亞波長區域，金屬柵極不再僅僅是導電；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。

這些內置腔模式的共振頻率自然地落在了GHz-THz范圍內，恰好與被柵控的 2D 材料中的低能激發（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強光-物質耦合的第一個關鍵要素。第二個要素是亞波長幾何結構中實現的極端電磁場約束，它顯著增強了電場強度，從而提高了耦合效率。

超強耦合作為標志性現象

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

探測這種自腔效應的關鍵實驗突破是片上太赫茲光譜技術的利用。傳統的遠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，通常涉及與 vdW 異質結構直接集成的共面帶狀線，可以約束和引導太赫茲輻射，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構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：當通過柵極電壓 (Vg) 調節石墨烯中的載流子密度時，裸石墨烯等離激元頻率 (ωpl) 也隨之調節。當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，在能譜中產生一個間隙。這種避免交叉是兩種強雜化態——極化激元——的標志。
2. 譜權重轉移：所產生的雜化極化激元模式繼承了光（腔體等離激元）和物質（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，該強度被發現足以將系統牢固地置于 USC 區域。

對量子材料科學的啟示

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

1. 對低能物理的必要重新解釋

vdW 異質結構中的許多新興量子現象，如超導性、關聯絕緣體和新穎的磁性狀態，存在于與自腔模式相同的μeVmeV能量窗口內。USC 的實驗觀測表明，二維材料的裸態、固有動力學總是 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數據的任何嚴格解釋，都必須考慮到激發的極化激元性質，其中電子態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-物質混合系統的特性。

2. 通過腔體控制基態的途徑

USC 區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），研究人員可以調整腔體參數（ωcav和g）以：

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

3. 賦能新型 THz 應用

在這些亞波長結構中實現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模式的性質從類物質切換到類光的潛力，為以下方面提供了新的可能性：

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

總而言之，vdW 異質結的腔電動力學是一場范式轉變。它將普通的靜電柵極從靜態電極提升為一個動態的量子光學元件。這種固有的光-物質相互作用迫使我們重新評估現有關于量子材料的數據，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的低能物理學。