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)計了一種技術(shù)，該技術(shù)可將2D材料的可調(diào)對稱性用于非線性光學(xué)應(yīng)用，包括激光、光譜、成像和計量系統(tǒng)，以及下一代光學(xué)量子信息處理和計算。

非線性光學(xué)技術(shù)，是研究光與物質(zhì)的相互作用，對于許多光子應(yīng)用而言至關(guān)重要，從我們都熟悉的綠色激光筆到強烈的寬帶（白色）光源用于實現(xiàn)光量子計算，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于彼此動態(tài)扭曲。由于微機械對稱性的破壞，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)院的研究人員報告說，他們開發(fā)了一種新的有效方式來調(diào)制和增強一種重要的非線性光學(xué)過程：光學(xué)二次諧波的產(chǎn)生，其中兩個輸入光子在材料中結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生一個能量兩倍的光子。通過微機械旋轉(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)進展》雜志上。

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

二維材料領(lǐng)域中的一個熱門話題是探索相對于另一層扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)一層如何改變層狀系統(tǒng)的電子特性-這是3D晶體中無法實現(xiàn)的，因為原子是如此緊密地結(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)了一個新的研究領(lǐng)域，稱為“ twistronics”。在這項新的研究中，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：“我們稱這個新的研究領(lǐng)域為‘twistoptics’?！?“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（僅幾個原子層厚度）中實現(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?！表憫?yīng)完全可以根據(jù)需要進行調(diào)整?！?/p>

當(dāng)今大多數(shù)常規(guī)的非線性光學(xué)晶體都是由共價鍵合的材料制成的，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)，因此難以對其進行非線性光學(xué)性質(zhì)的工程設(shè)計和控制。但是，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，對材料的非線性光學(xué)特性進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械旋轉(zhuǎn)輕松地控制相鄰層之間的相對晶體取向。憑借在原子層極限處控制對稱的能力，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。對于超晶格，該團隊首先使用層旋轉(zhuǎn)在各層之間創(chuàng)建了“扭曲”界面，從而產(chǎn)生了非常強的非線性光學(xué)響應(yīng)，然后將這些“扭曲”界面中的幾個相互疊加在一起。

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

該小組的研究結(jié)果有幾個潛在的應(yīng)用。微轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的可調(diào)諧的二次諧波可能會導(dǎo)致新穎的片上換能器，該傳感器通過將機械運動轉(zhuǎn)化為光，將微機械運動耦合到敏感的光信號。這對于許多傳感器和設(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)量子信息處理和計算。

這項工作是 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)與動力學(xué)研究所的理論合作者進行的。該設(shè)備的制造部分是在“哥倫比亞納米技術(shù)計劃”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行的敘述提供了新的思路?！?br /> 編輯：lyn