研發(fā)人員研發(fā)了一種非線性光學(xué)技術(shù)與適用的領(lǐng)域

哥倫比亞研究人員設(shè)計(jì)了一種技術(shù)，該技術(shù)可將2D材料的可調(diào)對(duì)稱性用于非線性光學(xué)應(yīng)用，包括激光、光譜、成像和計(jì)量系統(tǒng)，以及下一代光學(xué)量子信息處理和計(jì)算。

非線性光學(xué)技術(shù)，是研究光與物質(zhì)的相互作用，對(duì)于許多光子應(yīng)用而言至關(guān)重要，從我們都熟悉的綠色激光筆到強(qiáng)烈的寬帶（白色）光源用于實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算，超分辨率成像，光學(xué)傳感和測距等功能的量子光子學(xué)。通過非線性光學(xué)，研究人員正在發(fā)現(xiàn)使用光的新方法，從更深入地研究物理，生物學(xué)和化學(xué)的超快過程，到增強(qiáng)通信和導(dǎo)航，太陽能收集，醫(yī)學(xué)測試和網(wǎng)絡(luò)安全。

兩塊氮化硼晶體相對(duì)于彼此動(dòng)態(tài)扭曲。由于微機(jī)械對(duì)稱性的破壞，在某些角度下，入射的激光（橙色光束）可以有效地轉(zhuǎn)換為更高能量的光（粉紅色光束）

哥倫比亞工程學(xué)院的研究人員報(bào)告說，他們開發(fā)了一種新的有效方式來調(diào)制和增強(qiáng)一種重要的非線性光學(xué)過程：光學(xué)二次諧波的產(chǎn)生，其中兩個(gè)輸入光子在材料中結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生一個(gè)能量兩倍的光子。通過微機(jī)械旋轉(zhuǎn)和多層堆疊形成六方氮化硼。該研究成果 于3月3日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

機(jī)械工程學(xué)副教授James Schuck和機(jī)械工程學(xué)教授王芳仁（James Hone）共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他說：“我們的工作是首次將2D材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)對(duì)稱性用于非線性光學(xué)應(yīng)用?！?/p>

二維材料領(lǐng)域中的一個(gè)熱門話題是探索相對(duì)于另一層扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)一層如何改變層狀系統(tǒng)的電子特性-這是3D晶體中無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵邮侨绱司o密地結(jié)合在一起在3D網(wǎng)絡(luò)中。解決這一挑戰(zhàn)導(dǎo)致出現(xiàn)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，稱為“ twistronics”。在這項(xiàng)新的研究中，研究小組使用了扭轉(zhuǎn)學(xué)的概念來表明它們也適用于光學(xué)性質(zhì)。

舒克說：“我們稱這個(gè)新的研究領(lǐng)域?yàn)椤畉wistoptics’?！?“我們的光學(xué)光學(xué)方法表明，我們現(xiàn)在可以在非常小的體積（僅幾個(gè)原子層厚度）中實(shí)現(xiàn)巨大的非線性光學(xué)響應(yīng)，從而使糾纏的光子生成具有更緊湊的，與芯片兼容的封裝。”響應(yīng)完全可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。”

當(dāng)今大多數(shù)常規(guī)的非線性光學(xué)晶體都是由共價(jià)鍵合的材料制成的，例如鈮酸鋰和硼酸鋇。但是，由于它們具有剛性的晶體結(jié)構(gòu)，因此難以對(duì)其進(jìn)行非線性光學(xué)性質(zhì)的工程設(shè)計(jì)和控制。但是，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，對(duì)材料的非線性光學(xué)特性進(jìn)行一定程度的控制是必不可少的。

該小組發(fā)現(xiàn)范德華多層晶體為工程光學(xué)非線性提供了另一種解決方案。由于極弱的夾層力，研究人員可以通過微機(jī)械旋轉(zhuǎn)輕松地控制相鄰層之間的相對(duì)晶體取向。憑借在原子層極限處控制對(duì)稱的能力，他們分別使用微轉(zhuǎn)子裝置和超晶格結(jié)構(gòu)演示了精確的調(diào)諧和光學(xué)二次諧波產(chǎn)生的巨大增強(qiáng)。對(duì)于超晶格，該團(tuán)隊(duì)首先使用層旋轉(zhuǎn)在各層之間創(chuàng)建了“扭曲”界面，從而產(chǎn)生了非常強(qiáng)的非線性光學(xué)響應(yīng)，然后將這些“扭曲”界面中的幾個(gè)相互疊加在一起。

舒克實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，論文的共同主要作者姚開元說：“我們證明了非線性光學(xué)信號(hào)實(shí)際上與扭曲接口數(shù)量的平方成正比?！?“因此，這使得單個(gè)接口已經(jīng)很大的非線性響應(yīng)增強(qiáng)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

該小組的研究結(jié)果有幾個(gè)潛在的應(yīng)用。微轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的可調(diào)諧的二次諧波可能會(huì)導(dǎo)致新穎的片上換能器，該傳感器通過將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為光，將微機(jī)械運(yùn)動(dòng)耦合到敏感的光信號(hào)。這對(duì)于許多傳感器和設(shè)備（例如原子力顯微鏡）至關(guān)重要。

將多個(gè)氮化硼薄膜彼此堆疊在一起，并控制其扭轉(zhuǎn)角，可大大增強(qiáng)非線性響應(yīng)。這可能提供一種新的方法來制造具有原子精度的高效非線性光學(xué)晶體。這些可用于廣泛的激光（例如綠色激光筆），光譜學(xué)，成像和計(jì)量系統(tǒng)中。也許最重要的是，它們可以提供一種緊湊的方法來生成糾纏光子和單光子，以用于下一代光學(xué)量子信息處理和計(jì)算。

這項(xiàng)工作是 在哥倫比亞的可編程量子材料能源前沿研究中心與馬克斯·普朗克研究所物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所的理論合作者進(jìn)行的。該設(shè)備的制造部分是在“哥倫比亞納米技術(shù)計(jì)劃”的無塵室完成的。

舒克說：“我們希望，這一演示為旨在利用和控制材料特性的正在進(jìn)行的敘述提供了新的思路。”
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