近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室“极端光学团队”许秀来教授与龚旗煌院士团队，联合中国科学院物理研究所光物理重点实验室王灿研究员、金奎娟院士，成功优化并制备出莫尔光子晶体超晶格结构，并开展了单个量子点与莫尔腔相互作用的系统研究，实验上观测到Purcell增强效应（弱耦合），实现了莫尔体系下腔量子电动力学的重要进展。研究表明，量子点的光致发光强度增强约8.4倍，自发辐射速率提升约3倍，单光子纯度提高了约2倍。该成果以“基于莫尔光子晶体纳米腔的腔量子电动力学”（Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity）为题，于2025年5月19日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

腔量子电动力学致力于调控光与量子发射体之间的相互作用，在量子信息处理、非线性量子光学等前沿领域具有重要地位。自组装量子点因其优异的单光子发射性能及良好的集成潜力，常被用于与微腔耦合的相关研究，以实现多功能光学器件的构建。然而，传统光子晶体微腔通常依赖局部结构缺陷及禁带机制来实现光场局域，这类结构易受制造缺陷和环境扰动影响，从而限制了器件性能的稳定性与大规模集成发展。

相比之下，莫尔光子晶体超晶格通过双层光子晶体的扭转构建，利用独特的模式耦合机制实现无需禁带的光场局域，从而形成所谓的莫尔腔。该结构不仅具备高品质因子、小模式体积，还展现出对结构缺陷和微扰的良好鲁棒性，因而为开展高性能腔量子电动力学研究提供了理想平台。

尽管基于莫尔光子晶体腔已实现多种高性能光学器件，但令人意外的是，此前尚未有相关研究将其应用于腔量子电动力学。团队发现限制其发展的关键问题有两方面：其一，莫尔腔的电磁场分布多集中于空气孔区域，导致适宜放置量子点的有效面积极其有限；其二，扭转双层光子晶体形成的超晶格结构中，原胞外层的空气孔间距过小，造成悬空结构中砷化镓材料支撑不足，难以实现高质量器件制备。

为解决上述挑战，许秀来教授与龚旗煌院士团队提出了优化设计方案，并成功实现莫尔超晶格的高质量制备（见图1）。通过调控单层光子晶体的填充因子，显著扩展了适用于量子点布置的有效区域。优化后的结构在保持模式体积基本不变的前提下，品质因子提高了一个数量级，有效面积提升了约35%，为实现量子发射体与莫尔腔的高效耦合提供了可能。

其次，研究团队通过调控光子晶体的填充比以及最外层每对空气孔的位移量（见图2），显著提高了悬空莫尔超晶格结构的制备成功率。同时，系统研究了莫尔腔基模P_x与 P_y的平均模式波长和实验平均品质因子随晶格常数及位移量变化的规律。最终，团队成功制备出一种兼具高品质因子、小模式体积，并可实现与量子点较大面积空间重叠的莫尔腔结构，其实验测得的品质因子约为 2000。

为验证单个量子点与腔模之间的弱耦合机制，研究团队从荧光强度、荧光寿命及二阶关联函数三个方面开展了系统的实验研究。实验结果显示，量子点的荧光强度随温度变化呈现先增强后减弱的趋势；当量子点激子能级与腔模能量实现共振时，其荧光强度相较于调节前增强了约8.4倍（图3a）。此外，团队利用时间分辨荧光光谱对量子点在不同条件下的荧光衰减行为进行了分析。结果表明，相比于体材料中的量子点，耦合至莫尔腔模后，其自发辐射速率提升至少约3倍（图3b）。进一步地，研究团队通过二阶关联函数（g²(τ)）测量验证了单光子发射特性。在与莫尔腔模共振的情况下，所测得的g²(0)为0.28 ± 0.10，表明该体系具备良好的单光子发射行为。上述实验结果从强度增强、寿命缩短以及单光子纯度等多个维度共同验证了量子点与莫尔腔模之间的弱耦合机制，为莫尔光子晶体腔在量子光学领域的应用提供了关键实验支撑。

中国科学院物理研究所2019级博士生闫赛为论文第一作者，许秀来、王灿为共同通讯作者。主要合作者还包括中国科学院物理研究所金奎娟院士、中国科学院半导体研究所牛智川研究员等。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持。