瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队首次成功地将光子学的两个主要领域结合，创造出一种具有独特光学特性的纳米物体。这个物体的直径比人类头发细一千倍，但却极为强大，这一突破在开发高效紧凑的非线性光学器件方面展现了巨大的潜力。“我认为，这一发现具有巨大的前景，”查尔默斯大学的Timur Shegai教授表示。
光子应用利用光与物质的相互作用来产生各种有趣的现象，推动了通信、医学和光谱学等领域的重大进展，同时也应用于激光和量子技术。现在，查尔姆斯理工大学的物理系研究人员成功地将非线性光学和高折射率纳米光子学这两个领域结合在一个单一的圆盘状纳米物体上。
“我们对取得的成就感到惊讶和兴奋。这个圆盘结构的尺寸远小于光的波长，但它是一个非常有效的光频率转换器。”主要作者Georgii Zograf博士说：“它的效率是同类非结构化材料的1万倍，甚至更高。这证明了纳米结构在提高效率方面的潜力。”
一种不损失性能的新制造
简而言之，这种材料结合了光学共振和通过晶体的非线性光频率转换的能力，研究人员在纳米盘中实现了这一点。在制造过程中，他们使用了过渡金属二硫化物（TMD），如二硫化钼，这是一种原子级薄的材料，具有优异的光学性能。然而，由于其晶格对称性的限制，这种材料在堆叠时常常会失去非线性特性。
“我们首次制造了一种专门堆叠二硫化钼的纳米盘，它在体积上保留了被打破的逆对称性，从而保持了光学非线性。这样的纳米片能够保持每一层的非线性光学特性。这意味着材料的效果得到了保持和增强，”Georgii Zograf说。
这种材料具有很高的折射率，意味着光在这种介质中可以更有效地传播。此外，该材料可以在任何衬底上转移，而无需将原子晶格与底层材料匹配。这种纳米结构在定位电磁场并产生双倍频率的光方面也非常有效，这种效应被称为二次谐波产生。这是一种非线性光学现象，类似于高能脉冲激光系统中使用的和频与差频产生效应。
因此，这种纳米片在单一紧凑的结构中结合了极端非线性和高折射率。
光学研究向前迈进了一大步
“我们提出的材料和设计是最先进的，具有极高的固有非线性光学特性和显著的线性光学特性——在可见光范围内的折射率为4.5。这两个特性使我们的研究如此新颖，甚至对整个行业都具有潜在的吸引力，”佐格拉夫说。
“这确实是一个里程碑，特别是考虑到圆盘的尺寸非常小。二次谐波产生和其他非线性现象每天都在激光中使用，但利用它们的平台通常在厘米尺度上。相比之下，我们的物体的尺度约为50纳米，结构大约是薄10万倍，”研究负责人Timur Shegai教授说。
研究人员相信，纳米盘的工作将推动光子学研究的进展。从长远来看，TMD材料令人难以置信的紧凑尺寸，加上它们独特的性能，可能会被用于先进的光学和光子应用。这些结构可以集成到各种光学电路中，或用于光子学的微型化。
“我们相信它可以为未来各种非线性纳米光子学实验做出贡献，无论是量子还是经典的。通过纳米结构这种独特材料的能力，我们可以大幅减小光学器件的尺寸，提高效率，如纳米磁盘阵列和超表面。这些创新可用于非线性光学和纠缠光子对的产生。这是一小步，但却是非常重要的一步。我们只是触及了表面，”Timur Shegai说。
插图说明:光学实验示意图:激发近红外激光器(红色底部)-激发由3r -二硫化钼片制成的纳米片，站在玻璃基板上。圆盘的四分之一切面示意图表明，入射激光激发了光学共振，这就是为什么我们看到红色区域表示较高的电磁场密度。这种局部化加上晶格的逆对称性破坏，使得红色泵浦激光有效地转换为蓝色光(双倍频率)。
插图来源:查尔姆斯理工大学| Georgii Zograf
关于这项研究的更多信息:
结合超高折射率和特殊非线性的共振过渡金属二硫化物纳米盘，发表在2024年6月13日的《自然光子学》上。作者是乔治·佐格拉夫，亚历山大·余。Polyakov, Maria Bancerek, Tomas J. Antosiewicz, bet
这项工作的一部分在Myfab Chalmers和Chalmers材料分析实验室进行。部分计算在华沙大学数学和计算建模跨学科中心完成。
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