四川大学，二维材料，再登Science子刊！

研究背景

莫尔超晶格是通过将两种范德瓦尔斯（vdW）材料堆叠在一起，并且施加扭转角度或晶格错配所形成的。该结构的电子带结构会因为莫尔超晶格的影响发生显著改变，进而引发一系列新兴量子现象。与传统的均匀莫尔系统相比，具有空间变异的梯度莫尔结构提供了更为灵活的调控手段，可以在单一设备中实现对莫尔效应和电子性质的连续调节。随着可控莫尔图案化技术的发展，这一研究方向已经取得了显著进展，梯度莫尔超晶格的研究为实现之前未知的电子和光学特性开辟了新的可能性。

近年来，二维材料中的极化子——光物质混合激发，因其强大的场束缚能力、长寿命和广泛的可调性，在纳米尺度下探索强光物质相互作用的潜力巨大。然而，传统的人工纳米结构在实验实现过程中存在光学损失和较差的光局域化问题，限制了其在低损耗极化子控制方面的应用。

为解决这一问题，四川大学物理学院李志强教授团队以及南方科技大学物理系Yue Zhao合作在Science Advances期刊上发表了题为“Gradient polaritonic surface with space-variant switchable light-matter interactions in 2D moiré superlattices”的最新论文。研究者提出并实现了基于溶质壁超晶格的自然梯度极化子表面设计。该设计利用了在典型莫尔系统——扭曲双层石墨烯与氮化硼异质结构中形成的溶质壁超晶格，成功实现了局部极化子-溶质壁相互作用的开关调节。通过改变局部应变方向，研究人员能够显著调节拓扑和常规溶质态，进而实现极化子与溶质壁之间的可调控交互作用。

此外，该研究展示了在超小尺寸下（小于100nm）空间调节极化子的近场剖面、相位和传播方向的能力，提供了电开关操作定向极化子的可能性。这一发现为在纳米尺度上操控光物质相互作用、实现空间极化子工程开辟了新的方向，为梯度莫尔超晶格在极化子调控领域的应用提供了理论依据和实验基础。

研究亮点

1） 实验首次展示了基于溶质壁超晶格的自然梯度极化子表面，采用了典型的莫尔系统——扭曲双层石墨烯与氮化硼的异质结构，成功实现了局部极化子-溶质壁相互作用的开关操作和连续调制。

2）实验通过局部应变方向的变化，显著修改了拓扑和常规溶质壁状态，揭示了溶质角度对极化子行为的调控作用，推动了纳米尺度上光物质相互作用的精确操控。

3） 通过梯度溶质壁超晶格，研究人员发现该结构能够在创纪录的小尺寸下空间调制极化子的近场剖面、相位和传播方向，实现了电调控定向极化子的生成和开关操作。

图文解读

图1. mTBG中梯度溶质壁超晶格和溶质角度变化的红外纳米成像。

图2. 通过溶质角度开关局部极化子-溶质壁相互作用。

图3. 双层石墨烯中单个溶质壁在代表性溶质角度下的电子能带结构。

图4. 通过梯度溶质壁超晶格中溶质角度的空间变化调节极化子。

结论展望

本文展示了莫尔梯度（溶质角度剖面）如何在重构的梯度莫尔超晶格中本质地控制光物质相互作用，实现了局部可切换的极化子响应和多功能性。与先前用于空间控制极化子的人工梯度结构相比，这些功能在之前的结构中无法实现，因为它们存在严重的光学损耗和非常有限的光束约束（约束因子β，因而具有较大的占地面积）。相比之下，本文研究的梯度莫尔超晶格可以宿主具有创纪录长寿命（几皮秒）的混合等离子体-声子极化子，同时保持其超强的光束约束β，实现超紧凑的占地面积，克服了人工结构的缺点，并为平面纳米技术提供了显著的优势。此外，梯度莫尔结构的能力不限于他们研究中探讨的特定溶质分布，而是超越这些分布。其他不同的空间分布可以基于这里展示的极化子效应，启用多样化的功能。

他们的发现揭示了二维莫尔超晶格作为梯度极化子表面的巨大潜力和内在能力。尽管在他们的样品中，溶质分布尚未被控制，但由于近年来制造技术的不断进步，如通过单层带状物的平面弯曲进行莫尔图案化（形成扭曲角小于0.5°区域的梯度溶质网络）、基于压电的应变工程以及原子力显微镜操作的可扭曲TBG设备，可控的梯度溶质网络的创造和微调已经变得可实现。这些及时的进展从基础和应用的角度都强调了他们发现的广泛意义。

结合这种可控的梯度溶质超晶格，他们研究中展示的内在开关和调节能力为以无与伦比的功能性量身定制局部光物质相互作用的纳米尺度极化子工程开辟了新途径。该极化子控制机制可以扩展到各种二维莫尔系统中的溶质网络，用于探索和利用丰富的极化子种类，因为溶质的固有电极化使其能够与极化子相互作用。这样的自然类梯度极化子表面展现了低损耗、强光束约束、超紧凑占地面积和先进功能的综合优点，提供了相比人工纳米结构的显著优势。从根本上讲，本研究中展示的溶质态和溶质-极化子相互作用的强调节性预计将深刻影响莫尔溶质超晶格中的丰富光子激发和效应，例如拓扑手性等离子体、极化子与关联溶质态之间的相互作用以及极化子探测新兴效应，从而为探索莫尔光子学提供了新的机会。

原文详情：

Zhen-Bing Dai et al. ,Gradient polaritonic surface with space-variant switchable light-matter interactions in 2D moiré superlattices.Sci. Adv.10,eadq7445(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq7445