R&D人员开发了一种非线性光学技术及其应用领域

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

非线性光学技术研究光与物质的相互作用，对于许多光子应用非常重要，从常见的绿色激光笔到量子光子学中用于实现光量子计算、超分辨率成像、光学传感和测距功能的强宽带(白色)光源。通过非线性光学，研究人员正在发现使用光的新方法，从深入研究物理、生物和化学的超快过程，到加强通信和导航、太阳能收集、医学测试和网络安全。

两个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，入射激光(橙色光束)在一定角度下可以有效地转换成更高能量的光(粉色光束)

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的方法来调制和增强一个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，从而产生一个两倍能量的光子。六方氮化硼是通过微机械旋转和多层堆叠形成的。研究结果于3月3日在线发表在《科学进展》杂志上。

机械工程副教授JamesSchuck和机械工程教授JamesHone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应用于非线性光学应用。”

二维材料领域的一个热门话题是探索如何通过相对于另一层扭曲或旋转一层来改变分层系统的电子特性——这在3D晶体中无法实现，因为原子在3D网络中结合得如此紧密。解决这一挑战导致了一个新的研究领域的出现，称为“twistronics”。在这项新的研究中，研究小组使用了扭转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‘扭转光学’。”“我们的光学方法表明，我们现在可以在非常小的体积(只有几个原子层厚)内实现巨大的非线性光学响应，从而使纠缠光子产生具有更紧凑和芯片兼容的封装。”可以根据需要调整响应。"

如今，大多数传统的非线性光学晶体由共价键合的材料制成，例如铌酸锂和硼酸钡。然而，由于它们的刚性晶体结构，很难设计和控制它们的非线性光学性质。然而，对于大多数应用来说，有必要在一定程度上控制材料的非线性光学特性。

该团队发现范德瓦尔斯多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案。由于层间力非常弱，研究人员可以通过微机械旋转轻松控制相邻层之间的相对晶体取向。由于能够将对称性控制在原子层的极限，他们分别用微转子器件和超晶格结构证明了光学二次谐波产生的精确调谐和极大增强。对于超晶格，该团队首先使用层旋转来创建层与层之间的“扭曲”界面，从而产生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。

Shuk实验室博士后研究员、该论文的合著者姚开元说：“我们证明了非线性光学信号实际上与失真界面数量的平方成正比。”"因此，这将单个界面已经很大的非线性响应提高了几个数量级."

这个小组的研究成果有几个潜在的应用。由微转子产生的可调谐二次谐波可以导致新颖的片上换能器，其将机械运动转换成光并将微机械运动耦合到敏感的光学信号。这对于很多传感器和器件都很重要，比如原子力显微镜。

通过将几个氮化硼薄膜堆叠在一起并控制它们的扭转角，可以大大增强非线性响应。这可能为制备具有原子精度的高效非线性光学晶体提供一种新方法。这些可用于广泛的激光(如绿色激光指示器)、光谱学、成像和计量系统。也许最重要的是，它们可以为下一代光学量子信息处理和计算提供一种产生纠缠光子和单光子的紧凑方法。

这项工作是由哥伦比亚可编程量子材料和能量前沿研究中心和马克斯普朗克研究所材料结构和动力学研究所的理论合作者开展的。设备的制造部分在“哥伦比亚纳米技术项目”的洁净室完成。

舒克说：“我们希望这个演示将为正在进行的旨在利用和控制材料属性的叙事提供一种新的思维方式。”编辑：林恩