近日，清华大学物理系熊启华教授课题组及合作者在双栅双层二硫化钼（MoS2）微腔中，实现了偶极极化激元的原位电控重构。研究发现，垂直电场可调节极化激元色散和激子—光子耦合强度，并使低密度有效非线性系数提升至零场时的约7倍；电子掺杂则提供另一条独立控制路径，连续驱动相关模式由强耦合跨越至弱耦合。该研究在同一器件中实现了对极化激元非线性、色散和耦合状态的电学调控，为可编程光子线路与可重构非线性光学器件提供了新的实验平台。相关成果以“Electrically reconfigurable dipolar polaritons with highly tunable nonlinearity in a homobilayer microcavity”为题于2026年10月23日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。
实现强且可调的光子—光子相互作用，是发展量子模拟器和光子逻辑器件的重要目标。半导体激子与微腔光子强耦合形成的激子极化激元，兼具激子的非线性相互作用以及光子组分带来的较小有效质量和传播特性，为增强光的非线性提供了重要平台。二维过渡金属硫族化合物（TMDs）具有较大的激子束缚能和较强的光学响应，原子级厚度也便于器件集成。然而，传统层内激子的相互作用及其可调性仍受限制。层间激子具有较强的偶极相互作用，但光学耦合通常较弱。天然2H堆垛的双层MoS2中，层间激子可与光学明亮的层内激子发生杂化，从而兼具较强的光学响应和可调电偶极，为实现电控偶极极化激元提供了材料基础。
研究团队采用六方氮化硼封装双层MoS2，以石墨烯作为上下栅极，并将器件置于光学微腔中。通过调节双栅电压，可分别控制垂直电场与载流子密度。电场使杂化层间激子分裂为具有相反有效电偶极的两支，为后续调控提供了条件。超快泵浦—探测实验表明，随着电场增强，低能混合层间激子的密度依赖能量蓝移更加明显，其低密度有效非线性系数由0.29增至1.81 μeV·μm²。实验趋势与电场改变激子的层间特征及两支激子态的粒子数分布相一致；电场还改变了非线性信号的弛豫过程（图1）。
图1：杂化层间激子的电控非线性与超快动力学。
微腔集成后，角分辨反射光谱显示（图2），层间激子与腔光子形成强耦合，拉比分裂约为30.4 meV。施加电场后，极化激元色散由四条分支演变为五条，耦合强度也随之变化；电子掺杂则逐渐削弱层间激子的振子强度，使相关模式从强耦合跨越至弱耦合。进一步的角分辨超快泵浦—探测实验发现，电场可使低密度有效极化激元非线性系数提高至零场时的约7倍（0.09增至0.60 μeV·μm²）。这一增强与电场对有效激子非线性及极化激元中激子组分的共同调节相一致。
图2：偶极极化激元的电控色散与光—物质耦合强度调节。
清华大学物理系熊启华教授为论文通讯作者，2020级博士生项白絮、王毓彬和2023级博士生文桂晗为共同第一作者。合作团队还包括清华大学物理系孙志远副教授，新加坡南洋理工大学Timothy C. H. Liew教授，北京量子院刘海云副研究员，清华大学物理系2023级博士生李一同、温昊，华盛顿大学博士生佘增德等。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金会等项目的支持。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh5101
