獨特納米盤如何助力光子學研究取得突破

光子應用藉助光與物質相互作用的力量，產生了各種各樣有趣的現象。

現在，查爾姆斯理工大學物理系的研究人員成功地在一個盤狀納米物體中結合了兩個主要的研究領域——非線性和高折射率納米光子學。

“我們對取得的成就感到既驚訝又高興。這種盤狀結構比光的波長小很多，但它是一種效率非常高的光頻率轉換器。它的效率比同類無結構材料高出 1 萬倍，甚至可能更高，這證明了納米結構化是提高效率的途徑，”《自然光子學》中這篇文章的主要作者喬治·佐格拉夫博士說，研究結果發表在該雜誌上。

簡單來講，研究人員在納米盤中將材料、光學共振以及通過晶體的非線性來轉換光頻率的能力結合了起來。在其製造過程中，他們使用了過渡金屬二硫屬化物（TMD），即二硫化鉬，這是一種在室溫下具有出色光學性能的原子級薄材料。然而，這種材料的問題在於，由於其晶格對稱性的限制，很難在不損失其非線性特性的情況下進行堆疊。

“我們首次製造出了一種特定堆疊的二硫化鉬納米盤，它在體積方面保留了破缺的反演對稱性，因此保持了光學非線性。這樣的納米盤可以保持每一層的非線性光學特性。這意味着材料的效果既得到了保持又得到了增強，”佐格拉夫說。

這種材料具有高折射率，這意味着光在這種介質中能夠更有效地被壓縮。此外，該材料的優點是可以在任何襯底上轉移，而無需與底層材料的原子晶格匹配。

這種納米結構在電磁場的局域化這一方面也表現得非常有效，並能從中產生倍頻光，這種效應被稱爲二次諧波產生。這是一種所謂的非線性光學現象，例如，類似於高能脈衝激光系統中使用的和頻和差頻產生效應。

因此，這種納米盤在一個緊湊的單一結構中，將極強的非線性與高折射率相結合。

“我們提出的材料和設計是最先進的，因爲它具有極高的固有非線性光學特性和顯著的線性光學特性——在可見光範圍內折射率爲 4.5。這兩個特性使我們的研究如此新穎，甚至對工業界都具有潛在吸引力，”佐格拉夫說。

“這確實是一個里程碑，尤其是因爲磁盤的尺寸極小。二次諧波產生和其他非線性在激光中每天都在使用，但利用它們的平臺通常在釐米級。相比之下，我們的物體的尺度約爲 50 納米，因此，結構薄了約 10 萬倍，”研究負責人蒂穆爾·謝蓋教授說。

研究人員認爲，納米盤的相關研究將推動光子學研究向前發展。從長遠來看，TMD 材料極其緊湊的尺寸，加上其獨特的性能，有可能用於先進的光學和光子應用。例如，這些結構可以集成到各種光學電路中，或用於光子學的小型化。

“我們相信，它可以爲未來各種量子和經典的非線性納米光子學實驗做出貢獻。憑藉對這種獨特材料進行納米結構化的能力，我們可以大幅減小光學器件的尺寸並提高效率，例如納米盤陣列和超表面。

“這些創新可用於非線性光學和糾纏光子對的產生等應用。這只是一小步，但卻是非常重要的一步。我們纔剛剛開始，”舍蓋表示。