如何給光一個旋轉開關？這項突破可能會改變量子計算的未來

記憶，是人類智能的一種表現。光也是如此，當光可以記住自己的旋轉方向，就能助力開啟未來的通信革命與計算革命。

近日，美國斯坦福大學材料科學與工程系潘峰博士聯合暨南大學鄧子嵐教授課題組以及斯坦福大學化學系劉鈁教授課題組等合作者打造出一種光子魔鏡，讓二硒化鉬這樣一種二維材料能夠在室溫下學會選擇性地發出左旋或者右旋的圓偏振光，借此找到了一把在常溫下就能精準操控光子自旋與電子自旋耦合的鑰匙，教會了光和材料之間的一種特殊暗號，為信息科技打開了一扇新的大門。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這項技術的厲害之處在于，它不再需要借助特定偏振的光去激發材料，也不需要笨重復雜的低溫設備來維持效果。這意味著未來將能造出更小巧、更節能、更強大的光子器件，以用于量子計算、超安全通信和超靈敏生物探測。

潘峰告訴 DeepTech：“我們首次在室溫條件下實現了對光子自旋與電子自旋耦合調控的新紀錄，為未來室溫器件的研發奠定了重要基礎。”

圖 | 潘峰（來源：潘峰）

困境：量子世界的快閃記憶

這項成果涉及到一個名為谷電子學的核心概念。在像二硒化鉬這樣的二維半導體材料中，電子的能量狀態在動量空間里形成了兩個類似山谷的結構，分別稱為 K 谷和 K'谷。

這兩個谷就像兩個不同的房間，電子住在里面。最妙的是，使用處于左旋或右旋的不同旋轉方向的圓偏振光去照射材料的時候，可以選擇性地只激發其中一個谷里的電子。

這相當于為信息存儲和傳輸提供了一個新的維度——谷自由度，從而可被用于編碼 0 和 1，這類似于經典計算中的比特，但是在量子世界里的潛力更大。

然而，在這個想法面前橫亙著一個巨大的挑戰：在室溫下，這兩個谷里的電子狀態極不穩定。

一旦被激發，它們萬億分之一秒的飛快速度通過碰撞和散射等方式，迅速在兩個谷之間串門，導致失去原有的偏振信息。

這就像你用燈光照亮一個房間來做標記，然而光線一旦離開，標記就會立刻消失，無法被有效讀取和利用。因此，長期以來，谷電子器件一般只能在零下 200 攝氏度左右的極低溫度下工作，嚴重阻礙了實用化進程。

（來源：資料圖）

鑰匙：走進連續域中的準束縛態

潘峰等人認為，要想解決串門的問題，關鍵在于創造一個不對稱的環境，讓其中一個谷里的電子，比另一個谷里的電子，更快地通過發光來釋放能量。

這就好比在兩個并排的滑梯中，給一個滑梯涂上潤滑劑，電子從那個谷滑下來也就是發光的速度就會更快，從而能在競爭中勝出，實現選擇性的發光。

過去，人們嘗試使用金屬納米結構或特殊設計的電介質結構來創造這種不對稱性，但是效果非常有限。要么只能在低溫下工作，要么在室溫下的選擇性很差，發光的圓偏振純度很低。

這一次，潘峰等人將目光投向一種名為連續域中的準束縛態的光學現象。其背后原理可以理解為：想想一個完美的光學結構，它能在特定波長下將光囚禁在內部，幾乎不與外界交換能量，這種狀態就叫做束縛態（bound states in the continuum, BIC）。

當在這個結構上雕刻出不對稱的圖案，比如把一個方形的納米柱子的一角切掉，就打破了結構的空間對稱性。這個被囚禁的光態，現在有了一個微小的泄漏口，可以與外界自由空間的光發生相互作用，形成一個尖銳的光學共振峰，這個共振峰所處的模式為準束縛態（quasi-BIC，q-BIC）。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這種共振的品質因子也就是 Q 值可以非常高，這意味著光的能量可以被儲存很長時間，從而極大地增強光與物質的相互作用的強度。

最關鍵的一步來了：經過精心的設計，這種不對稱性可以被賦予手性，即左旋光和右旋光在其中感受到的環境完全不同。

研究中，潘峰等人設計并制造了由單晶硅構成的周期性納米結構陣列，每個單元都是一個被切掉一個角的小方塊。這種設計同時打破了面內的鏡面對稱和反演對稱，從而激發了具有高 Q 值的手性 q-BIC 模式。

（來源：資料圖）

破局，單晶硅手性魔鏡的誕生

他們使用納米加工技術，在玻璃襯底上制造出了大面積、排列整齊的單晶硅納米結構陣列，形成了所謂的手性超表面。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

為什么用單晶硅？因為它在可見光和近紅外波段的光學損耗極低，遠比非晶硅或多晶硅要好。而低損耗是獲得高 Q 值共振的關鍵。

這種超表面好比是一面魔鏡，它對于位于深紅色光區域的波長大約在 772 納米的左旋光和右旋光的響應截然不同。

當光在這個共振波長附近時，魔鏡會強烈地增強其中一種旋轉方向的光在結構表面的局域電場，同時抑制另一種。計算模擬顯示，這種手性近場增強的效果非常明顯。

接下來，就是這片魔鏡與二硒化鉬單層進行結合的關鍵時刻。潘峰等人利用一種名為金膜輔助剝離的技術，獲得了高質量、大面積的二硒化鉬單層原子薄膜，然后像手機貼膜一樣，將其精確地轉移到制作好的硅魔鏡陣列上。

最后，為了保護整個結構，以及在光學上實現性能優化，潘峰等人在表面旋涂了一層透明的 PMMA 聚合物。

奇跡，室溫下的二選一發光

當使用一束普通的、波長在 633 納米、處于任意偏振方向的光，去照射這個集成了二硒化鉬的魔鏡時，奇跡發生了。

在室溫下，材料被激發后發出的光，不再是均勻混合的左旋光和右旋光，而是顯著地偏向于左旋圓偏振光。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

潘峰等人使用圓偏振度這樣一個關鍵指標來衡量這種偏向性的強弱。圓偏振純度的范圍從 0 到 1，0 代表完全無偏振，1 代表完美的單一圓偏振。

實驗結果顯示，該器件在室溫下實現了高達 0.5 的圓偏振度，創造了同類器件在室溫下工作的新紀錄。作為對比，同樣條件下，生長在普通玻璃上的二硒化鉬單層，其發光幾乎是完全非偏振的，圓偏振純度接近于 0。

更令人驚喜的是，這種選擇性發光效果在從 100K 的低溫到 294K 的室溫之間都能保持良好，并且在室溫下可以達到最佳狀態。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

潘峰等人發現，其奧秘在于魔鏡的共振波長與二硒化鉬本身的激子發光波長精確匹配時，效果是最好的。通過精密地調節超表面的幾何參數，他們實現了這種匹配。

原理，選擇性助推起作用

光有現象還不夠，還得揭示背后的物理機制。為此，他們使用時間分辨光致發光光譜技術，像高速攝像機一樣，捕捉了左旋光和右旋光的發光隨時間衰減的過程。

他們發現在魔鏡上，左旋光的衰減速度明顯快于右旋光。這意味著，對應 K'谷的左旋光輻射復合速度被顯著提升了。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）

這個提升歸功于手性 q-BIC 模式創造的超高手性局域態密度。簡單說，就是魔鏡為左旋光光子提供了更多、更高效的逃逸通道，使其對應的位于 K'谷的電子能夠更快地通過發光釋放能量，從而可以跳回低能級。

這種效應在量子光學中被稱為手性珀賽爾效應。計算表明，相比于在普通玻璃上，在魔鏡上二硒化鉬的輻射復合速率提升了大約 13 倍。

這個強大的選擇性助推，正是高 Q 值手性共振與強手性近場增強共同作用的結果。它有效地壓制了電子在兩個谷之間快速串門的散射過程，從而在室溫下鎖住了谷偏振信息，實現了高純度的選擇性發光。

在論文中潘峰等人還提出了更具雄心的設想：如果能在這種手性 q-BIC 模式附近，通過電場約束等技術創造出量子受限的谷激子，就有可能實現按需生產、發射方向可控的量子單光子源，而這將是量子信息科學的理想光源。

潘峰表示，在量子技術領域，實現室溫下對光子和電子自旋的操控，將是未來十年左右推動室溫量子技術突破的關鍵。其次，基于硅光子學的底層設計邏輯，本工作對于發展自旋量子器件、光電器件及大規模制備集成具有重要推動作用。此外，該技術還可拓展至手性光學、傳感、材料及化學等領域，用于實現對材料手性性質的光學調控。

同時，如果進一步增強光與物質的耦合強度，甚至可能實現谷特異性能級與手性光模式的強耦合，從而形成手性極化激元態，從根本上解除 K 谷與 K'谷的簡并，從而幾乎可以完全抑制谷間散射，實現接近 100% 的圓偏振度。

也許在不遠的將來，我們手機中的芯片、數據中心里的光模塊，甚至連接全球的量子互聯網，都會用上基于這項研究萌芽的技術。光的左旋與右旋，也將在數字世界的底層，扮演起更關鍵、更智能的角色。

參考資料：

相關論文 https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4

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