光量子旋转开关：如何突破技术瓶颈重塑量子计算未来？
记忆，是人类智能的一种表现。光也是如此，当光可以记住自己的旋转方向，就能助力开启未来的通信革命与计算革命。
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近日，美国斯坦福大学材料科学与工程系潘峰博士联合暨南大学邓子岚教授课题组以及斯坦福大学化学系刘钫教授课题组等合作者打造出一种光子魔镜，让二硒化钼这样一种二维材料能够在室温下学会选择性地发出左旋或者右旋的圆偏振光，借此找到了一把在常温下就能精准操控光子自旋与电子自旋耦合的钥匙，教会了光和材料之间的一种特殊暗号，为信息科技打开了一扇新的大门。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
这项技术的厉害之处在于，它不再需要借助特定偏振的光去激发材料，也不需要笨重复杂的低温设备来维持效果。这意味着未来将能造出更小巧、更节能、更强大的光子器件，以用于量子计算、超安全通信和超灵敏生物探测。
潘峰告诉 DeepTech：“我们首次在室温条件下实现了对光子自旋与电子自旋耦合调控的新纪录，为未来室温器件的研发奠定了重要基础。”
图 | 潘峰（来源：潘峰）
困境：量子世界的快闪记忆
这项成果涉及到一个名为谷电子学的核心概念。在像二硒化钼这样的二维半导体材料中，电子的能量状态在动量空间里形成了两个类似山谷的结构，分别称为 K 谷和 K'谷。
这两个谷就像两个不同的房间，电子住在里面。最妙的是，使用处于左旋或右旋的不同旋转方向的圆偏振光去照射材料的时候，可以选择性地只激发其中一个谷里的电子。
这相当于为信息存储和传输提供了一个新的维度——谷自由度，从而可被用于编码 0 和 1，这类似于经典计算中的比特，但是在量子世界里的潜力更大。
然而，在这个想法面前横亘着一个巨大的挑战：在室温下，这两个谷里的电子状态极不稳定。
一旦被激发，它们万亿分之一秒的飞快速度通过碰撞和散射等方式，迅速在两个谷之间串门，导致失去原有的偏振信息。
这就像你用灯光照亮一个房间来做标记，然而光线一旦离开，标记就会立刻消失，无法被有效读取和利用。因此，长期以来，谷电子器件一般只能在零下 200 摄氏度左右的极低温度下工作，严重阻碍了实用化进程。
（来源：资料图）
钥匙：走进连续域中的准束缚态
潘峰等人认为，要想解决串门的问题，关键在于创造一个不对称的环境，让其中一个谷里的电子，比另一个谷里的电子，更快地通过发光来释放能量。
这就好比在两个并排的滑梯中，给一个滑梯涂上润滑剂，电子从那个谷滑下来也就是发光的速度就会更快，从而能在竞争中胜出，实现选择性的发光。
过去，人们尝试使用金属纳米结构或特殊设计的电介质结构来创造这种不对称性，但是效果非常有限。要么只能在低温下工作，要么在室温下的选择性很差，发光的圆偏振纯度很低。
这一次，潘峰等人将目光投向一种名为连续域中的准束缚态的光学现象。其背后原理可以理解为：想想一个完美的光学结构，它能在特定波长下将光囚禁在内部，几乎不与外界交换能量，这种状态就叫做束缚态（bound states in the continuum, BIC）。
当在这个结构上雕刻出不对称的图案，比如把一个方形的纳米柱子的一角切掉，就打破了结构的空间对称性。这个被囚禁的光态，现在有了一个微小的泄漏口，可以与外界自由空间的光发生相互作用，形成一个尖锐的光学共振峰，这个共振峰所处的模式为准束缚态（quasi-BIC，q-BIC）。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
这种共振的品质因子也就是 Q 值可以非常高，这意味着光的能量可以被储存很长时间，从而极大地增强光与物质的相互作用的强度。
最关键的一步来了：经过精心的设计，这种不对称性可以被赋予手性，即左旋光和右旋光在其中感受到的环境完全不同。
研究中，潘峰等人设计并制造了由单晶硅构成的周期性纳米结构阵列，每个单元都是一个被切掉一个角的小方块。这种设计同时打破了面内的镜面对称和反演对称，从而激发了具有高 Q 值的手性 q-BIC 模式。
（来源：资料图）
破局，单晶硅手性魔镜的诞生
他们使用纳米加工技术，在玻璃衬底上制造出了大面积、排列整齐的单晶硅纳米结构阵列，形成了所谓的手性超表面。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
为什么用单晶硅？因为它在可见光和近红外波段的光学损耗极低，远比非晶硅或多晶硅要好。而低损耗是获得高 Q 值共振的关键。
这种超表面好比是一面魔镜，它对于位于深红色光区域的波长大约在 772 纳米的左旋光和右旋光的响应截然不同。
当光在这个共振波长附近时，魔镜会强烈地增强其中一种旋转方向的光在结构表面的局域电场，同时抑制另一种。计算模拟显示，这种手性近场增强的效果非常明显。
接下来，就是这片魔镜与二硒化钼单层进行结合的关键时刻。潘峰等人利用一种名为金膜辅助剥离的技术，获得了高质量、大面积的二硒化钼单层原子薄膜，然后像手机贴膜一样，将其精确地转移到制作好的硅魔镜阵列上。
最后，为了保护整个结构，以及在光学上实现性能优化，潘峰等人在表面旋涂了一层透明的 PMMA 聚合物。
奇迹，室温下的二选一发光
当使用一束普通的、波长在 633 纳米、处于任意偏振方向的光，去照射这个集成了二硒化钼的魔镜时，奇迹发生了。
在室温下，材料被激发后发出的光，不再是均匀混合的左旋光和右旋光，而是显著地偏向于左旋圆偏振光。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
潘峰等人使用圆偏振度这样一个关键指标来衡量这种偏向性的强弱。圆偏振纯度的范围从 0 到 1，0 代表完全无偏振，1 代表完美的单一圆偏振。
实验结果显示，该器件在室温下实现了高达 0.5 的圆偏振度，创造了同类器件在室温下工作的新纪录。作为对比，同样条件下，生长在普通玻璃上的二硒化钼单层，其发光几乎是完全非偏振的，圆偏振纯度接近于 0。
更令人惊喜的是，这种选择性发光效果在从 100K 的低温到 294K 的室温之间都能保持良好，并且在室温下可以达到最佳状态。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
潘峰等人发现，其奥秘在于魔镜的共振波长与二硒化钼本身的激子发光波长精确匹配时，效果是最好的。通过精密地调节超表面的几何参数，他们实现了这种匹配。
原理，选择性助推起作用
光有现象还不够，还得揭示背后的物理机制。为此，他们使用时间分辨光致发光光谱技术，像高速摄像机一样，捕捉了左旋光和右旋光的发光随时间衰减的过程。
他们发现在魔镜上，左旋光的衰减速度明显快于右旋光。这意味着，对应 K'谷的左旋光辐射复合速度被显著提升了。
（来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4）
这个提升归功于手性 q-BIC 模式创造的超高手性局域态密度。简单说，就是魔镜为左旋光光子提供了更多、更高效的逃逸通道，使其对应的位于 K'谷的电子能够更快地通过发光释放能量，从而可以跳回低能级。
这种效应在量子光学中被称为手性珀赛尔效应。计算表明，相比于在普通玻璃上，在魔镜上二硒化钼的辐射复合速率提升了大约 13 倍。
这个强大的选择性助推，正是高 Q 值手性共振与强手性近场增强共同作用的结果。它有效地压制了电子在两个谷之间快速串门的散射过程，从而在室温下锁住了谷偏振信息，实现了高纯度的选择性发光。
在论文中潘峰等人还提出了更具雄心的设想：如果能在这种手性 q-BIC 模式附近，通过电场约束等技术创造出量子受限的谷激子，就有可能实现按需生产、发射方向可控的量子单光子源，而这将是量子信息科学的理想光源。
潘峰表示，在量子技术领域，实现室温下对光子和电子自旋的操控，将是未来十年左右推动室温量子技术突破的关键。其次，基于硅光子学的底层设计逻辑，本工作对于发展自旋量子器件、光电器件及大规模制备集成具有重要推动作用。此外，该技术还可拓展至手性光学、传感、材料及化学等领域，用于实现对材料手性性质的光学调控。
同时，如果进一步增强光与物质的耦合强度，甚至可能实现谷特异性能级与手性光模式的强耦合，从而形成手性极化激元态，从根本上解除 K 谷与 K'谷的简并，从而几乎可以完全抑制谷间散射，实现接近 100% 的圆偏振度。
也许在不远的将来，我们手机中的芯片、数据中心里的光模块，甚至连接全球的量子互联网，都会用上基于这项研究萌芽的技术。光的左旋与右旋，也将在数字世界的底层，扮演起更关键、更智能的角色。
参考资料：
相关论文 https://www.nature.com/articles/s41467-025-66502-4
运营/排版：何晨龙
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