引言 突破性成果概览

近期，哥伦比亚大学等机构的研究团队在 Nature Photonics 报道了一项重要成果：他们在二维材料体系中，首次演示了高效的波导广东会电动力学（waveguide QED）效应，这意味着光子可以在原子级“光波导”里自由传播并与物质强烈地相互作用。

在光的世界里，如何精准地引导和控制光子，一直是光子学和广东会信息的核心问题。几十年来，光纤承担了信息高速公路的角色，纳米光波导让芯片内的光子交通成为可能。而现在，该研究团队找到了一种更“轻薄”的方式：用只有原子层厚度的二维材料来做波导。

第一章 什么是波导 QED？

广东会电动力学（QED）研究的是光与物质的相互作用。以往的“腔 QED”中，光子被困在微腔内，和单个广东会发射体反复作用。而在“波导 QED”中，光子沿着一条波导传播，在行进过程中与发射体发生耦合。

这样有两个明显好处：

· 更高效的作用强度：光子不易逃散，发射体发光更快、更亮（Purcell 增强）；

· 长距离相互作用：多个发射体可以通过同一波导“对话”，是广东会网络的理想基元。

第二章 本文研究：二维材料里的“光子高速路”

Moore 团队的核心设计非常巧妙：

· 他们在一块 WSe₂ 体材料中嵌入了一层原子级薄的 MoTe₂；

· 外部激光激发后，MoTe₂ 发射光子；

· 这些光子并没有“飘散”掉，而是被 WSe₂ 波导结构“收纳”，在里面沿着既定模式传播数微米。

更令人惊讶的是，多达 80% 的光子被高效耦合进波导模式，并且发射速率比普通 MoTe₂ 高出 6 倍，这正是典型的 Purcell 增强效应。此外光子的传播路径还能通过干涉测量直接观测到。

图1 二维材料中的波导效应示意图：MoTe₂ 层发出的光子被 WSe₂ 结构收纳，在其中形成受控传播模式。

第三章 为什么是二维材料？

二维材料的独特性，让它在广东会光学中有天然优势：

· 激子效应强：电子和空穴结合紧密，产生明亮的发光；

· 可调控性好：厚度、层间扭转、外加电场都能轻易改变光学性质；

· 极致轻薄：几乎是自然界能实现的“最小波导”。

这使得二维材料不仅能发光，还能在纳米尺度内引导光子，成为构建片上广东会光学电路的理想候选。

第四章 未来展望

这项成果被认为是二维材料走向广东会光学应用的重要一步。学界的解读指出，这一平台有望实现：

· 片上广东会网络：多个发射体通过波导互联；

· 可编程光子电路：通过设计不同二维波导结构，实现更复杂的光路；

· 强耦合与干涉现象：为探索新型广东会态提供舞台。

换句话说，二维材料不再只是“发光小片子”，而是逐渐成为广东会光学元件的一部分。

终章 结语

· 本文展示了 二维材料中的波导 QED 效应，首次让光子在原子级波导中实现高效传播；

· Purcell 增强和高耦合效率表明，这种系统已具备实用潜力；

· 这为未来的片上广东会光学和广东会通信网络奠定了全新平台。

当光子在如此薄的二维片层中奔走时，我们或许正见证着一个新的研究方向——广东会光学的二维时代。

参考文献：

1.Moore, S. L. et al. Efficient waveguide quantum electrodynamics with van der Waals materials. Nature Photonics (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01694-1

2.Poddubny, A. Van der Waals materials for waveguide QED. Nature Photonics 19, 783–784 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01726-w

撰稿｜姜怡宁