操控暗激子方面取得的突破，或将为下一代量子通信系统和超紧凑光子器件的研发铺平道路。

由纽约城市大学与德克萨斯大学奥斯汀分校组成的研究团队开发出一种方法，可照亮曾一度无法探测到的光态（即暗激子），并实现纳米级精度的定向发射。今日发表于《自然·光子学》的研究成果，为未来更快、更紧凑且能耗更低的技术发展指明了方向。

暗激子是一种存在于超薄半导体材料中的特殊光物质态。由于它们仅释放微弱的光，通常难以被探测到。尽管如此，暗激子因其与光独特的相互作用方式、长久的存在周期以及对环境噪声的低敏感性（可减少退相干效应），在量子信息科学与下一代光子学领域被视为极具价值的研究对象。

纳米尺度上的光工程

为揭示这些隐匿状态，研究人员构建了一种纳米级光学腔，该腔体将金纳米管与仅含三个原子厚度的二硒化钨（WSe₂）单层材料相结合。这一结构使暗激子所发出的光增强了约30万倍，使研究团队得以清晰观测并精准调控其特性。

“这项研究表明，我们能够触及并操控那些以往难以企及的光物质状态，”该研究首席研究员安德烈亚·阿卢（Andrea Alù）表示。阿卢是纽约市立大学研究生中心杰出教授兼爱因斯坦物理学教授，同时还是纽约市立大学研究生中心先进科学研究中心（CUNY ASRC）光子学计划创始主任。“通过随心所欲地开启和关闭这些隐藏状态，并以纳米级精度对它们进行控制，我们为突破性地推进下一代光学和量子技术，包括传感和计算领域，开辟了令人振奋的新机遇。”

精准调控量子态

研究团队还证实，这些暗态可通过电场和磁场按需调控，为芯片光子学、传感器及量子通信领域的潜在应用提供了精准控制手段。与以往研究不同，该方法在保持材料天然特性的同时，实现了光物耦合强度的突破性提升。

“我们的研究揭示了一个此前从未被观测到的自旋禁阻暗激子新家族，”该研究的第一作者全佳敏（音译）说道，“这一发现仅仅是个开端——它为探索二维材料中其他众多隐藏的量子态开辟了道路。”

解决一场旷日持久的争论

这一发现还解决了一个长期存在的争议，即等离激元结构在与暗激子近距离接触时，是否能在不改变其本质的情况下真正增强暗激子。研究团队通过精心设计由纳米级薄层氮化硼构成的等离激元-激子异质结构，成功应对了这一挑战，这一设计也是揭示团队所观察到的新型暗激子的关键所在。

参考文献：全佳敏（Jiamin Quan）、米歇尔·科特鲁福（Michele Cotrufo）、萨罗杰·钱德（Saroj Chand）、蒋雪峰（Xuefeng Jiang）、刘志达（Zhida Liu）、恩里克·梅希亚（Enrique Mejia）、王伟（Wei Wang）、谷口隆（Takashi Taniguchi）、渡边贤治（Kenji Watanabe）、加布里埃莱·格罗索（Gabriele Grosso）、李小琴（Xiaoqin Li）和安德烈亚·阿卢（Andrea Alù）于2025年11月12日发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）的论文《等离激元异质结构中自旋禁阻暗激子的原位增强与调控》。 DOI：10.1038/s41566-025-01788-w

该研究得到了空军科学研究办公室、海军研究办公室以及国家科学基金会的资助。