研发人员研发了一种非线性光学技术与适用的领域

哥伦比亚研究人员设计了一种技术，该技术可将2D材料的可调对称性用于非线性光学应用，包括激光、光谱、成像和计量系统，以及下一代光学量子信息处理和计算。

非线性光学技术，是研究光与物质的相互作用，对于许多光子应用而言至关重要，从我们都熟悉的绿色激光笔到强烈的宽带（白色）光源用于实现光量子计算，超分辨率成像，光学传感和测距等功能的量子光子学。通过非线性光学，研究人员正在发现使用光的新方法，从更深入地研究物理，生物学和化学的超快过程，到增强通信和导航，太阳能收集，医学测试和网络安全。

两块氮化硼晶体相对于彼此动态扭曲。由于微机械对称性的破坏，在某些角度下，入射的激光（橙色光束）可以有效地转换为更高能量的光（粉红色光束）

哥伦比亚工程学院的研究人员报告说，他们开发了一种新的有效方式来调制和增强一种重要的非线性光学过程：光学二次谐波的产生，其中两个输入光子在材料中结合在一起，从而产生一个能量两倍的光子。通过微机械旋转和多层堆叠形成六方氮化硼。该研究成果 于3月3日在线发表在《科学进展》杂志上。

机械工程学副教授James Schuck和机械工程学教授王芳仁（James Hone）共同领导了这项研究，他说：“我们的工作是首次将2D材料的动态可调对称性用于非线性光学应用。”

二维材料领域中的一个热门话题是探索相对于另一层扭转或旋转一层如何改变层状系统的电子特性-这是3D晶体中无法实现的，因为原子是如此紧密地结合在一起在3D网络中。解决这一挑战导致出现了一个新的研究领域，称为“ twistronics”。在这项新的研究中，研究小组使用了扭转学的概念来表明它们也适用于光学性质。

舒克说：“我们称这个新的研究领域为‘twistoptics’。” “我们的光学光学方法表明，我们现在可以在非常小的体积（仅几个原子层厚度）中实现巨大的非线性光学响应，从而使纠缠的光子生成具有更紧凑的，与芯片兼容的封装。”响应完全可以根据需要进行调整。”

当今大多数常规的非线性光学晶体都是由共价键合的材料制成的，例如铌酸锂和硼酸钡。但是，由于它们具有刚性的晶体结构，因此难以对其进行非线性光学性质的工程设计和控制。但是，对于大多数应用而言，对材料的非线性光学特性进行一定程度的控制是必不可少的。

该小组发现范德华多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案。由于极弱的夹层力，研究人员可以通过微机械旋转轻松地控制相邻层之间的相对晶体取向。凭借在原子层极限处控制对称的能力，他们分别使用微转子装置和超晶格结构演示了精确的调谐和光学二次谐波产生的巨大增强。对于超晶格，该团队首先使用层旋转在各层之间创建了“扭曲”界面，从而产生了非常强的非线性光学响应，然后将这些“扭曲”界面中的几个相互叠加在一起。

舒克实验室的博士后研究员，论文的共同主要作者姚开元说：“我们证明了非线性光学信号实际上与扭曲接口数量的平方成正比。” “因此，这使得单个接口已经很大的非线性响应增强了几个数量级。”

该小组的研究结果有几个潜在的应用。微转子产生的可调谐的二次谐波可能会导致新颖的片上换能器，该传感器通过将机械运动转化为光，将微机械运动耦合到敏感的光信号。这对于许多传感器和设备（例如原子力显微镜）至关重要。

将多个氮化硼薄膜彼此堆叠在一起，并控制其扭转角，可大大增强非线性响应。这可能提供一种新的方法来制造具有原子精度的高效非线性光学晶体。这些可用于广泛的激光（例如绿色激光笔），光谱学，成像和计量系统中。也许最重要的是，它们可以提供一种紧凑的方法来生成纠缠光子和单光子，以用于下一代光学量子信息处理和计算。

这项工作是 在哥伦比亚的可编程量子材料能源前沿研究中心与马克斯·普朗克研究所物质结构与动力学研究所的理论合作者进行的。该设备的制造部分是在“哥伦比亚纳米技术计划”的无尘室完成的。

舒克说：“我们希望，这一演示为旨在利用和控制材料特性的正在进行的叙述提供了新的思路。”
编辑：lyn