来源：哥伦比亚大学（Columbia University），Gaby Clark编辑，Robert Egan审校；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 郭子靖 编译

    在合适的组合和条件下，二维材料可以产生有趣且具有潜在价值的量子相，例如超导性和独特形式的磁性。它们为何出现，以及如何被控制，是物理学家和工程师们相当感兴趣的课题。发表在Nature Physics上的研究揭示了一个先前隐藏的特征，这可能解释了神秘的量子相是如何以及为何出现的。

    利用一种新的太赫兹光谱技术，研究人员发现，世界各地的研究实验室中发现的微小二维材料堆叠，可以自然地形成所谓的空腔。这些空腔将光和电子限制在更微小的空间内，可能以剧烈的方式改变它们的行为。

    “我们在量子材料中发现了一个隐藏的控制层，并开辟了一条途径，来塑造光与物质的相互作用，这能够帮助我们理解奇异物质相并最终将其用于未来量子技术。”哥伦比亚大学物理学助理教授、该论文的主要作者James McIver说。

    这一发现始于汉堡，当时McIver是马克斯•普朗克物质结构与动力学研究所（Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD)）的课题组负责人，该研究所是组成马克斯•普朗克-纽约非平衡量子现象中心的机构之一。该中心的研究人员（也包括哥伦比亚大学、弗拉铁逊研究所和康奈尔大学）对稳定系统失去平衡时会发生什么感兴趣。

    McIver实验室转向了光。“二维材料具有迷人的宏观特性，但其行为常常像黑匣子。通过将光照射到它们上面，我们可以真正地揭示其内部电子的隐藏行为，展现出原本不可见的细节，”在McIver课题组工作的MPSD博士生、该论文的第一作者Gunda Kipp说。挑战在于，探测二维材料所需的光的波长远大于材料本身，这些材料通常比人类的头发丝还细。

    为了解决这种尺寸不匹配的问题，该团队将尺寸大幅缩小，使用了一个芯片尺寸的光谱仪，将太赫兹光（被认为是神秘量子现象发生的范围）从1毫米限制到仅3微米。这使团队能够可视化二维系统中电子的行为。他们开始用石墨烯进行实验，以测试该光谱仪在测量一种已被充分研究的材料的光导率方面的能力。

    他们看到了意想不到的驻波。

    “光可以与电子耦合，形成混合的光-物质准粒子。这些准粒子以波的形式运动，并且在某些条件下，它们可以被限制，很像吉他弦上产生特定音符的驻波，”MPSD博士后研究员、共同第一作者Hope Bretscher解释道。

    以吉他为例，琴弦的固定端定义了驻波的边界；将手指按在琴弦上会缩短琴弦可以振动的波长，从而改变它产生的声音。在光学中，可以用两个镜子实现类似的效果，它们将光捕获在中间，并在所谓的空腔内产生一个受限的驻波。当一种材料被放置在镜子之间时，来回反射的光会与其相互作用，可能改变其性质。

    但镜子可能并非必需。

    “我们发现材料自身的边缘已经起到了镜子的作用，” Kipp说。利用他们的太赫兹光谱仪，他们观察到受激的电子流从边缘反射，形成了一种称为等离激元极化激元的混合光-物质准粒子。

    McIver实验室研究了一个由多层组成的器件，每一层都可以作为一个空腔，彼此间隔几十纳米。在各层中形成的等离激元又可以相互作用——而且通常很强烈。“这就像连接两根吉他弦；一旦连接起来，音符就变了，” Bretscher说。“在我们的案例中，变化是剧烈的。”

    下一个问题是什么决定了振动准粒子的频率，以及光与材料相互作用的强度。“与共同作者、MPSD博士后研究员Marios Michael一起，我们开发了一个分析理论，只需要少数几何样品参数就能与我们实验的观测结果相匹配，” Kipp说。

    “只需按一下按钮，我们的理论就能提取材料的特性，并将帮助我们设计和定制未来的样品以获得特定的性能。例如，通过跟踪共振随载流子密度、温度或磁场的变化函数，我们可能会揭示驱动不同量子相的机制。”

    虽然已发表的研究捕捉到了等离激元，但新的芯片级太赫兹光谱仪应该能够观察到在多种二维材料中振荡的其他类型的准粒子。该团队已经在汉堡和纽约两地着手测量新的样品。

    “整个项目有点像是偶然的发现。我们没想到会看到这些空腔效应，但我们很兴奋能够利用它们来进一步操纵量子材料中的现象，” Bretscher说。“既然我们拥有了一种观察它们的技术，我们很想知道它们可能如何影响其他材料和物相。”

    更多信息：Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03064-8.