北京大学实现可重构相干纳米激光阵列

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏教授课题组成功实现了莫尔相干纳米激光阵列，突破了纳米激光仅能实现单个或固定阵列相干激射的限制，展示了纳米激光能够以“P”“K”“U”和“中”“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。研究成果以《相位同步可重构莫尔纳米激光阵列》（“Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization”）为题，于北京时间2023年12月14日在《自然》（Nature）杂志上发表。《自然》同期刊发了以《转角系统使纳米激光共同闪耀》（“Twisted system makes nanolasers shine together”）为题的专题评述文章，认为该工作“为探索更小、更智能、更强大的激光光源开辟了道路”（“open an avenue for exploring smaller, smarter and more powerful laser sources”）。

半导体激光因体积小、能耗低、速度快等特性成为了现代信息技术的基石。近年来，可将光场极端局域化于分子尺度的纳米激光为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来了新的机遇。纳米激光研究的核心目标之一是实现可重构的相控阵纳米激光阵列。通过对各个纳米激光进行相位锁定和控制，可获得任意形状的相干激射，从而开拓纳米激光在激光雷达、激光显示、相干计算和通信等领域的应用。然而由于缺乏相应的物理机制，目前已报道的纳米激光器只能实现单个或固定阵列的相干激射。

马仁敏课题组利用莫尔超晶格中平带局域波函数可重构的特性，实现了可重构且相位可调谐的相控阵纳米激光阵列。这项工作基于课题组之前提出的魔角纳米激光原理与技术。2021年，马仁敏课题组提出并实现了魔角纳米激光，利用在单个莫尔原胞内的平带波函数局域化，实现了高性能的纳米激光（Nature Nanotechnology 16，1099—1105，2021）。随后，该课题组又运用这一原理，成功构建了硅基转角纳腔，其品质因子超过1百万（Fundamental Research 3，537—543，2023）。最新的研究工作取得了莫尔纳米激光阵列的相位锁定和控制，使其能够生成任意形状的阵列化相干激射（如图1所示）。

图1. 莫尔纳米激光阵列以“中国”图形生成阵列化相干激射示意图