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本文由论文作者团队投稿
导读
莫尔条纹是生活中常见的现象：当两层纱窗、织物或周期图案稍微旋转或错位时，原本细密的结构会形成一个更大的缓慢变化图案。近年来，类似的“莫尔”思想在二维量子材料中引发了广泛关注，例如魔角石墨烯中出现的平带、强关联电子态和超导现象。
那么，光子系统中能否也通过“扭转”来调控光？如果把两层光子晶体或超表面相互旋转，是否可以像调控电子能带一样调控光的传播、局域、辐射和非线性响应？
近期，麻省理工学院Haoning Tang团队，悉尼科技大学 Igor Aharonovich 团队和新加坡国立大学Xueqi Ni同学在 Optica发表综述文章 “Moiré nanophotonics: from fundamental concepts to device engineering”。该文系统总结了莫尔纳米光子学的基本概念、物理机制、代表性器件进展和未来挑战，重点讨论了扭转双层光子晶体和合并型莫尔光子晶体中，如何通过带折叠、层间杂化和干涉调控光学迷你能带、局域态、辐射通道和非线性光学响应。
综述指出，莫尔纳米光子学的核心价值并不只是将凝聚态物理中的“魔角”概念移植到光学中，而是提供了一种新的几何可编程光子学平台。通过调节扭转角、堆叠方式和层间距，同一个结构有望连续改变光学能带、局域态密度、辐射泄漏和动量转换通道，从而实现可调控的纳米光子器件。
莫尔纳米光子学研究的是：当两个周期性光学结构之间存在相对旋转、平移或周期失配时，系统中会出现一个比原始周期更大的有效超晶格。这个长周期结构会改变光的动量匹配条件和能带折叠方式，从而产生新的光学模式。
在传统光子晶体中，光学性质主要由单一周期结构决定。而在莫尔光子晶体中，扭转角会引入新的莫尔波矢，将原本位于不同动量位置的光学模式折叠到更小的莫尔布里渊区中。多个模式在这里相遇并发生耦合，形成新的迷你能带、带隙和平带。
可以把传统光子晶体比作一张固定的乐谱，而莫尔光子晶体则像是把两张乐谱稍微旋转叠在一起。新的节拍和旋律来自两张乐谱之间的相对错位；改变扭转角，就可以得到不同的光学响应。
图1：扭转方形和六角晶格中的可公度莫尔超晶格构造
一、扭转如何改变光学能带？
在光子晶体中，周期结构会折叠光学能带，并打开特定的辐射通道。对于双层光子晶体，如果两层完全对齐，层间耦合会使原本简并的模式分裂成对称和反对称超模。
当两层结构发生相对扭转时，情况更加丰富。两层的倒格矢不再重合，而是形成新的莫尔波矢。这些莫尔波矢会把来自不同动量位置的光学模式折叠到同一个莫尔布里渊区中，并通过层间耦合形成新的迷你能带。
在六角晶格扭转双层光子晶体中，这一过程类似于二维材料中的 Dirac 锥杂化。随着扭转角减小，层间耦合相对于动能项变得更重要，光学能带可以显著变窄，形成类似平带的行为。平带意味着光的群速度降低、局域态密度增强，因此有利于低阈值激光、强光物质相互作用和高效非线性过程。
图2：扭转双层光子晶体中的能带折叠与层间杂化机制
图3：一维和二维莫尔光子结构中两类色散工程策略：参数失配超晶格与扭转诱导超晶格
二、莫尔局域：不用传统缺陷也能形成光学腔
传统光子晶体纳米腔通常需要人为引入一个缺陷，例如去掉一个孔或改变局部孔径，从而把光局域在缺陷附近。莫尔光子晶体提供了另一种思路：通过扭转产生的长周期包络，光可以自发局域在莫尔超晶格中的特定区域。
在许多双层光子晶体中，最强局域通常出现在 AA 堆叠区域，即两层结构局部最重合的位置。这里层间耦合最强，局域态密度最高，因此容易形成强场增强和小模式体积。
这种莫尔腔有望同时结合传统缺陷腔和 BIC 光子晶体 slab 的优点：一方面具有较强横向局域和小模式体积，另一方面又可以利用干涉机制抑制垂直辐射，从而获得较高 Q 值。其独特之处在于，局域腔并不是单独加工出来的缺陷，而是由莫尔能带重构自然产生的。
图4：莫尔光子腔与传统缺陷腔、BIC 光子晶体板的局域模式对比
三、从莫尔激光到量子光源
莫尔光子晶体已经在低阈值激光和集体相干激光中显示出重要潜力。由于平带模式具有高局域态密度和低群速度，引入增益材料后，系统可以更容易达到激光阈值。同时，每个莫尔单胞都可以像一个局域腔，而整个莫尔超晶格又能提供规则的相干耦合。
已有实验展示了魔角莫尔激光、集体相干莫尔激光和手性轨道激光。例如，集体莫尔激光可以让大量莫尔单胞中的局域模式相干叠加，实现可编程的实空间发光图案和窄发散角远场输出。
莫尔结构也可以用于调控量子发光体。与传统单个缺陷腔不同，莫尔超晶格天然提供一系列可重复的局域热点，因此有利于与量子点、二维材料激子或 hBN 色心等发光体耦合。已有实验展示了莫尔腔中 Purcell 增强和发射寿命调控，为可编程量子光源提供了新思路。
图5：莫尔光子晶体激光、集体激光以及腔量子电动力学代表性进展
四、非线性光学与光束整形
非线性光学是莫尔纳米光子学的另一个重要方向。莫尔平带和高 Q 局域态可以增强光场与材料的相互作用，从而提高谐波产生和频率转换效率。更重要的是，扭转引入的莫尔波矢提供了额外的动量匹配通道，使非线性信号的方向、偏振和波前可以通过几何结构进行调控。
在堆叠超表面和双层光子晶体中，层间扭转不仅会改变局域场分布，也会改变非线性辐射的远场出射通道。因此，莫尔结构可以用于设计二次谐波、频率转换和非线性光束整形过程。未来，若进一步结合高 Q 莫尔腔、二维非线性材料和量子光源，莫尔非线性光子学有望发展为高效、可编程的片上频率转换和波前调控平台。
五、可重构莫尔光子器件
莫尔光子学的一个关键发展方向，是从静态结构走向实时可重构器件。早期莫尔光子器件通常在加工时固定扭转角，因此每个器件只对应一个特定光学响应。相比之下，如果能够在同一个器件中动态调节扭转角、相对平移或层间距，就可以连续改变能带、局域态密度、辐射泄漏和远场出射方向。
MEMS 等片上执行器为这一目标提供了重要路径。通过微机电结构控制两层光子晶体之间的相对位置，莫尔光子器件有望从一次性加工的固定样品变成可调滤波器、可转向发射器、可重构传感器和可编程纳米光子平台。这也将使莫尔光子学从基础物理演示进一步走向实际集成光子器件。
图6：扭转双层光子晶格的典型加工、转移、堆叠与 MEMS 可重构实现方案
论文信息
Haoning Tang, Xueqi Ni, Anastasia Zalogina, Hugo Quard, Nathan Coste, and Igor Aharonovich, “Moiré nanophotonics: from fundamental concepts to device engineering,” Optica13, 1007–1019 (2026).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.591243
编辑：赵唯
审核：赵阳