近期，四川大学物理学院李志强教授团队以及南方科技大学物理系Yue Zhao合作展示了基于溶质壁超晶格的自然梯度极化子表面——这些溶质壁是局部的结构变形——在一个典型的莫尔系统中，即扭曲双层石墨烯与氮化硼的异质结构中。作者的研究结果为通过梯度莫尔超晶格实现光物质相互作用的纳米尺度操控和空间极化子工程开辟了新的途径。相关成果发表于Science Advances上。

研究背景

二维（2D）材料中的极化子为纳米尺度下的光控制提供了独特的机会。通过具有空间变异响应的梯度极化子表面来调节这些极化子，可以实现具有先进功能的多用途光物质相互作用平台。然而，实验进展一直受到传统人工纳米结构的光学损失和较差的光局域化性能的制约。

研究内容

在这里，四川大学物理学院李志强教授团队以及南方科技大学物理系Yue Zhao合作展示了基于溶质壁超晶格的自然梯度极化子表面——这些溶质壁是局部的结构变形——在一个典型的莫尔系统中，即扭曲双层石墨烯与氮化硼的异质结构中。作者展示了局部极化子-溶质壁相互作用的开关操作和连续调制，这是由于局部应变方向变化引起的拓扑和常规溶质态的显著改变。

此外，作者揭示了这些结构能够在创纪录的小尺寸下空间调制极化子的近场剖面、相位和传播方向，从而实现定向极化子的生成和电开关操作。作者的研究结果为通过梯度莫尔超晶格实现光物质相互作用的纳米尺度操控和空间极化子工程开辟了新的途径。

图文导读

（1）实验首次展示了基于溶质壁超晶格的自然梯度极化子表面，利用扭曲双层石墨烯与氮化硼异质结构实现了局部极化子-溶质壁相互作用的开关操作与连续调制。

（2）实验通过调节局部应变方向，显著改变了拓扑和常规溶质态，揭示了局部应变对极化子-溶质壁相互作用的影响，推动了空间变异极化子表面的应用。

（3）实验进一步展示了这些结构能够在创纪录的小尺寸下空间调制极化子的近场剖面、相位和传播方向，实现了定向极化子的生成与电开关操作。

图1 | mTBG中梯度溶质壁超晶格和溶质角度变化的红外纳米成像。

图2 | mTBG中梯度溶质壁超晶格和溶质角度变化的红外纳米成像。

图3 | 双层石墨烯中单个溶质壁在代表性溶质角度下的电子能带结构。

图4 | 通过梯度溶质壁超晶格中溶质角度的空间变化调节极化子。

科学启迪

本文的研究展示了梯度莫尔超晶格在调控光-物质相互作用中的巨大潜力，特别是其在局部可切换的极化子响应和多功能性方面的应用。与传统的人工梯度结构相比，梯度莫尔超晶格不仅能够显著提高光的约束性，降低光学损耗，还能够支持具有长寿命的混合等离子体-声子极化子，展现出超紧凑的光学特性。这一机制不仅突破了传统人工结构的局限，还为平面纳米技术提供了新的优势。通过不断发展如莫尔图案化、压电应变工程等先进制造技术，可以进一步实现梯度孤子网络的可调控和精细化调整，推动二维莫尔系统中的极化子调控和探测。研究还揭示了孤子态和极化子相互作用的强调控性，对于拓展莫尔光子学领域的多种激发态和效应具有重要意义，尤其是在拓扑手性等离子体、极化子与孤子态的相互作用等方面。

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adq7445

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