构造人工微结构来控制微观粒子的量子态，是在固态系统中实现量子调控的重要手段。对于电子、激子这种实物粒子，可以通过带隙周期性变化的半导体超晶格，实现对其能带的调控。对于光子，可以通过折射率周期性变化的光子晶体，实现对光场的调控。如果能构建一种光-物质耦合系统，并且同时实现对光和物质的调控，将为构建新型量子态、发展新型量子器件提供更多的自由度。

“魔角”石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜，开辟了凝聚态物理研究的新篇章。类似的，将两种单层过渡金属硫族化合物（TMDCs）叠加起来，也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构，称为莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调控激子的能级，并且晶格周期可由转角连续调控，提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。但是怎样实现莫尔激子与微腔光子的强耦合，成为摆在研究者面前的新难题。

在前期的工作中，张龙副教授在二硒化钨(WS2)和二硒化钼(MoSe2)的双层异质结中观测到振子强度足够大的莫尔激子态（Nature Communications 11, 5888 (2020)）。通过异质结与光学微腔的精准集成，最终实现了莫尔激子与微腔光子的强耦合，观测到了新型混合玻色子量子态—“莫尔激子极化激元”。通过变功率实验进一步观测到了这种特殊量子态的新奇物性：莫尔激子的能级、退相干、振子强度随粒子浓度的变化，与量子点二能级的特性完全相符。从而证明了莫尔激子极化激元来源于量子点阵列与微腔光子的集体耦合相互作用。更有意思的是，在低浓度下，莫尔激子极化激元展现出单光子数级别的光学非线性。

该工作建立了固态腔量子电动力学研究的新体系，实现了二能级量子点阵列与微腔光子的集体合作相互作用。莫尔激子极化激元为发展单光子开关和逻辑门、原子层低阈值激光器、固态量子模拟等提供了新的技术路径。 相关研究成果以Van der Waals heterostructure polaritons with moiré-induced nonlinearity 为题，发表在2021年03月03日的Nature 591:61-65 (2021)。张龙副教授为论文的第一作者，密西根大学安娜堡分校邓慧教授为本文的通讯作者，厦门大学为论文的第二完成单位。

论文链接：http://www.nature.com/articles/s41586-021-03228-5