光子應(yīng)用利用光-物質(zhì)相互作用的力量產(chǎn)生各種有趣的現(xiàn)象。這使得通信、醫(yī)學(xué)和光譜學(xué)等領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，同時也被用于激光和量子技術(shù)。

現(xiàn)在，查爾姆斯理工大學(xué)物理系的研究人員成功地將兩個主要研究領(lǐng)域--非線性和高指數(shù)納米光子學(xué)--結(jié)合到了一個圓盤狀的納米物體中。

主要作者Georgii Zograf博士說：“我們對所取得的成果感到驚訝和高興。這個圓盤狀結(jié)構(gòu)比光的波長小得多，但卻是一個非常高效的光頻轉(zhuǎn)換器。它的效率也是同類無結(jié)構(gòu)材料的 10000 倍，甚至更高，這證明了納米結(jié)構(gòu)是提高效率的途徑�！�

該研究成果發(fā)表在近期的《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志上。

圖片:搜狗截圖20240912082630.png

不失特性的新型制造

簡而言之，研究人員在納米磁盤中結(jié)合了材料和光學(xué)共振，通過晶體的非線性轉(zhuǎn)換光頻。在制造過程中，他們使用了過渡金屬二摻雜物（TMD），即二硫化鉬，這種原子級的薄材料在室溫下具有出色的光學(xué)特性。然而，這種材料的問題在于，由于其晶格對稱性的限制，很難在不失去非線性特性的情況下進(jìn)行堆疊。

“我們首次制造出了一種特殊堆疊的二硫化鉬納米盤，這種納米盤保留了其體積中被破壞的反對稱性，因此保持了光學(xué)非線性。這種納米盤可以保持每個單層的非線性光學(xué)特性。佐格拉夫說："這意味著這種材料的效果既能保持，又能增強。

這種材料具有很高的折射率，這意味著光在這種介質(zhì)中可以被更有效地壓縮。此外，這種材料還具有可在任何基底上轉(zhuǎn)移的優(yōu)點，無需將原子晶格與底層材料相匹配。

這種納米結(jié)構(gòu)還能非常有效地定位電磁場，并從中產(chǎn)生雙倍頻率的光，這種效應(yīng)被稱為二次諧波生成。例如，這是一種所謂的非線性光學(xué)現(xiàn)象，類似于高能脈沖激光系統(tǒng)中使用的和頻和差頻發(fā)生效應(yīng)。

因此，這種納米磁盤在單一、緊湊的結(jié)構(gòu)中結(jié)合了極端非線性和高折射率。

光學(xué)研究的一大進(jìn)步

佐格拉夫說：“我們提出的材料和設(shè)計具有極高的固有非線性光學(xué)特性和顯著的線性光學(xué)特性（在可見光范圍內(nèi)折射率為 4.5），因而是最先進(jìn)的。這兩種特性使我們的研究如此新穎，甚至對業(yè)界都具有潛在的吸引力�！�

研究負(fù)責(zé)人Timur Shegai教授說：“這確實是一個里程碑，特別是由于圓盤的尺寸非常小。二次諧波產(chǎn)生和其他非線性特性每天都在激光器中使用，但利用它們的平臺通常都在厘米級。相比之下，我們這個物體的尺度約為 50 納米，因此結(jié)構(gòu)要薄 10 萬倍�！�

研究人員認(rèn)為，納米盤的工作將推動光子學(xué)研究向前發(fā)展。從長遠(yuǎn)來看，TMD 材料令人難以置信的緊湊尺寸，加上其獨特的性能，有可能被用于先進(jìn)的光學(xué)和光子應(yīng)用。例如，這些結(jié)構(gòu)可以集成到各種光路中，或用于光子學(xué)的微型化。

Shegai 說：“我們相信，這將有助于未來各種非線性納米光子實驗，包括量子實驗和經(jīng)典實驗。通過對這種獨特材料進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化處理，我們可以大幅縮小納米盤陣列和超表面等光學(xué)設(shè)備的尺寸，并提高其效率。這些創(chuàng)新可用于非線性光學(xué)和糾纏光子對的產(chǎn)生。這是微不足道的第一步，但卻是非常重要的一步。我們只是剛剛觸及表面。”

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