Adv. Photon. | 澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授领衔！新型米氏空洞谐振平台，增强光与物质相互作用的新范式

Advanced Photonics 2026年第2期文章：

Zhuoyuan Lu, Kirill Koshelev, Pavel Tonkaev, Ziyu Chen, Dawei Liu, Wenkai Yang, Yuri Kivshar, Yuerui Lu, "Light–matter interaction in van der Waals heterostructures with Mie voids," Adv. Photon. 8, 026002 (2026)

在纳米（即亚波长）的尺度上，如何实现对于光与物质相互作用的精准调控，是非线性光学及量子光学研究的重点。对亚波长光子谐振器而言，通过对光与物质相互作用的调控，能够实现光谱整形、场增强以及定制化参数相应；而厚度为原子级的超薄二维材料，则可作为理想的光功能介质，实现光致发光（PL）、二次谐波产生（SHG）、自发参量下转换等诸多不同的光学效应。但极致轻薄的物质特性，同样也会大幅压缩光与材料相互作用的体积，对光与物质的相互作用强度，形成了天然的限制。

传统的介质谐振器将光场严格束缚于高折射率介质内部，不仅可调性较差，表面可及性较低，还对加工缺陷及材料吸收作用极其敏感，难以满足二维材料对于光场的强耦合需求。为解决上述技术及科学难题，澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授、卢曰瑞教授联合研究团队，在谐振器设计时引入Mie void（米氏空隙）的设计理念，在高折射率材料Bi₂Te₃中，构筑出亚波长尺寸的空气空隙，并覆盖了单层WS₂；借助空气与介质界面较强的菲涅尔反射，将WS₂的PL效应增强了约20倍、SHG效应增强约25倍，为下一代非线性光学器件及片上光电集成方案提供了全新的技术路线。该工作以“Light-matter interaction in van der Waals heterostructures with Mie voids”为题，发表于Advanced Photonics 2026年第2期。

纳米光子学领域的大多数研究，集中于探索微纳尺度上光与物质的相互作用；因此，如何在极小的限制区域内增强光场，以达到放大光与物质相互作用强度的效果，一直是科学家们关注的重点。过去数十年内，基于硅、砷化镓等介质材料的谐振器成为纳米谐振器的主流设计方案，但传统介质谐振器的光场主要集中于介质内部，难以与介质表面涂敷或蒸镀的二维材料实现高效耦合；其次，此类结构对于加工误差的敏感度极高，尺寸上的微小偏差会对介质传输模式、谐振器品质因数等，产生极为不利的影响；此外，传统纳米谐振器只能采用低吸收率的透明介质，而无法选择那些具有高折射率、高色散以及高光学吸收率的材料，这也限制了基材的选择空间。

为突破传统纳米谐振器所存在的技术瓶颈，研究团队在谐振器设计时引入了米氏空隙的微纳结构，通过在高折射率范德瓦尔斯材料Bi₂Te₃内部刻蚀出具有亚波长尺寸的空隙，来利用空气与介质界面较强的菲涅尔反射，从而将谐振模式限制于空隙内部。这种方案改变了传统设计中将光局限于介质内部的定式，将光场集中于涂敷有二维材料的介质表面，并在极大程度上避免了基材对于光场的吸收作用，进而能够产生较强的光与物质相互作用效果。此外，谐振波长及模式位置也可通过空隙的几何参数实现精准调控。具体的器件设计思路如图1所示。

图1 米氏空隙异质结结构的概念图：(a) 单层WS₂堆叠在米氏空隙上的结构示意图；(b) 空隙结构表面在光场辐照条件下电场增强效应的模拟；(c) 米氏空隙在光场辐照条件下侧视电场分布模拟； (d) 不同波段光场辐照下，电场增强强度随空隙半径变化关系的模拟结果

在谐振器制备环节，研究人员采用聚焦离子束刻蚀技术，在厚度约10 μm的块状Bi₂Te₃基底上，精准刻蚀出具有不同半径及深度的圆柱形空洞阵列。随后，该团队基于干法转移技术，成功将单层WS₂连续、均匀地覆盖在空洞阵列的表面（构成“Bi₂Te₃米氏空隙-单层WS₂异质结”结构）。Bi2₂Te₃材料作为高折射率基底提供结构支撑作用，单层WS₂则作为功能层，依靠其自身较强的激子共振及二阶非线性光学特性，实现光信号的高效发射及非线性转换。需要说明的是，该团队通过仿真计算，确定半径850 nm，深度780 nm为空洞最优结构，可在625 nm处激发电偶极米氏共振，从而使光场最大程度地集中于介质表面（仿真及测量结果如图2所示）。

图2 米氏空隙的谐振特性研究：(a)空洞阵列的扫描电子显微镜观测图；米氏空隙在固定深度/半径比例；(b)及固定半径，累增深度；(c)等不同条件下，反射率随波长变化的曲线

在制备得到基于Bi₂Te₃材料的微谐振腔阵后，研究人员对堆叠于其上单层WS₂的非线性光学特性（PL及SHG）进行了研究，首先探究的是单层WS₂的PL效应。如图3所示，研究人员使用532 nm激光对单层WS₂进行激发，并对不同深度空洞所具备的PL增强效应分别进行了测试。测试结果显示，当选用合适的深度时（即810 nm），基于空洞结构的单层WS₂样品，其PL信号能够提升约20倍，且此增强效果与激发波长无关。这一测试结果，也为基于二维材料的高效发光器件的设计，提供了全新的思路。

图3 通过Bi₂Te₃米氏空隙结构实现单层WS₂PL效应的增强：(a) WS₂覆盖于不同位置处的显微图像；(b) 与(a)记录同一位置的PL图像；(c) 在532 nm激光激发下，对不同深度空洞PL强度的测试结果；(d) PL增强因子随空洞深度变化曲线

进一步地，研究人员测试了该空洞结构对于单层WS₂SHG信号的增强效果，具体的测试结果如图4所示。在该项实验中，该团队首先研究了不同空洞深度对于SHG效应的增强效果（如图4 (a) 所示）。为使得谐振腔达到最优的偶极模式条件，在谐振波长870 nm时，研究人员严格保持了空洞深度与半径的比例（约为0.94）；而当空洞深度为1115 nm时，单层WS₂的SHG效应达到了最佳水平，SHG倍增因子约为25。由于SHG效应与局域电场强度的二次方呈相关性，其也可作为探测样品共振增强效应的探针，能够在光学轮廓空间变化的检测上，提供相对更优的对比度。此外，SHG效应还能够作为WS₂界面位置局域共振场的高分辨可视化手段，有效简化传统的近场或干涉测量方法。

图4 通过Bi₂Te₃米氏空隙结构实现单层WS₂SHG效应的增强：(a) 空洞半径固定，SHG增强因子随空洞深度变化关系；(b) 结构参数固定，空洞结构对于不同波长泵浦激光SHG强度的影响；(c) 空洞阵列光学显微图像；(d) 870 nm激光激发下，图(c)所示空洞阵列结构位置处SHG的强度分布图像；(e) 从(d) 中选择5个具有代表性结构的空洞，SHG实验测试及理论仿真结果对照

综上所述，该研究的科学意义不仅在于对单层WS₂非线性光学响应信号强度实现倍增，更在于对共振光谱及空间双重精密控制的详细探索。此外，该工作也为共振模式随空洞深度的演化规律，提供了全新的可视化手段。相较于传统嵌入式及周期性的结构，该设计能够实现二维材料在谐振腔内的自由集成，从而引入了全新的几何可调谐维度。

科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿