北京大学的一组研究人员在光子纳米晶体中制造了一种“魔角”双层石墨烯的光学类似物。他们利用这种结构创造了一种全新的高效纳米激光器。

石墨烯是一种扁平的碳晶体，只有一个原子厚。当两个这样的薄片以小角度错位彼此叠在一起时，它们会形成莫尔超晶格。扭转角为1.08°时，材料会变得高度相关，并开始显示出低温超导等特性。

在这个所谓的魔角下，电子在两个耦合片中移动的方式发生了变化，因为它们现在被迫以相同的能量组织起来。这导致了“平坦”的电子带，其中电子状态尽管具有不同的速度，但它们的能量是完全相同的。

这种平带状态使电子无色散，也就是说它的动能被完全抑制，不能在莫尔晶格中移动。结果会让电子减速至几乎停止并沿耦合片定位在特定位置，在那里它们可以进行强烈的相互作用。这种效应导致了它们具有超导性，并产生了许多奇异和意想不到的现象，例如相关绝缘体状态和轨道磁性。

纳米激光器是开发集成光子学的关键。它们的工作原理是将光限制在纳米腔中，并在多次穿过腔以对其实现增益后，通过光学放大在非常窄的光谱范围内发射相干光。

多年来，研究人员设计了许多种纳米激光器方案，它们具有非常不同的光腔设计，这些方案包括纳米盘激光器、纳米线激光器、等离子体纳米激光器和光子晶体纳米激光器。然后，这些纳米激光器的腔需要具有高度不同的性质或无序/缺陷的材料来定位光场。

由马仁敏及其同事开发的激光器以非常不同的方式工作。这种新设备利用半导体膜中纳米孔的光学魔角类石墨烯晶格中的无色散光停止。这种半导体膜由InGaAsP多量子阱组成，用作活性增益介质。

研究人员将两种类似石墨烯的光子晶体引入同一个半导体膜中。当它们以2.65°的角度将一个相对于另一个扭转时，他们发现两个光子晶体之间的耦合产生了一个完全平带的色散，这会阻止和定位光——就像魔角扭转的石墨烯一样。这种效果消除了对传统激光腔的需求。

马仁敏和同事用光泵浦在激光器中进行诱导增益。他们说他们已明确的观察到大约1.5µm的激光，这个波长对电信应用是非常重要的。

除了代表全新的纳米激光器设计外，该设备还具有许多优势特性。一方面，它的泵浦功率阈值仅为0.037mW。这远低于纳米盘激光器、纳米线激光器或等离子纳米激光器，并且与由相同增益材料制成的最先进的光子晶体缺陷纳米激光器相当。

与上述类型的激光器相比，这种新式的纳米激光器还提高了“模式体积的品质因数”(通常用于表征激光腔质量的品质因数)。事实上，它的品质因数超过40万，是所有类型纳米激光腔中最高的。

马仁敏补充说：“我们的方案提供了一个新的灵活且强大的平台，可以为激光器、纳米LED、非线性光学和腔量子电动力学构建高质量的纳米腔……它可用于集成光子学、近场光谱学和传感方面的应用。”

研究人员还表示，他们现在正将他们的新平台用于研究奇异的光与物质相互作用。马仁敏还说：“我们将推动该设备的应用。”（编译:Qtech）