研究人员通过融合光子学的两个关键领域，实现了重大的进展，创造出一种具有显著光学特性的微型物体。这个物体的厚度是人类头发的千分之一，但却拥有惊人的能量，预示着高效紧凑的非线性光学设备的创建的巨大潜力。
在瑞典的查尔莫斯科技大学，研究人员首次成功结合了光子学中的两个关键领域，开发出一种具有卓越光学特性的纳米物体。尽管它的厚度是人类头发的千分之一，但由于其出色的能量，这一发展可能会推动高效紧凑的非线性光学设备的问世。查尔莫斯大学研究的负责人蒂穆尔·谢盖教授表示：“我相信这一发现具有巨大的潜力。”
光子应用利用光-物质相互作用产生迷人的现象，这推动了通信、医学、光谱学以及激光和量子技术等领域的进步。现在，查尔莫斯科技大学物理系的研究人员成功地在一个单一的碟形纳米物体内统一了两个关键研究领域——非线性光学和高折射率纳米光学。
“我们的成果令我们既惊讶又高兴。这个碟形物体的大小远小于光的波长，但它充当了高效的光频率转换器。它的效率是类似无结构材料的10,000倍，甚至更多，证实了纳米尺度的结构化对于提升效率至关重要，”研究的第一作者乔治·佐格拉夫博士解释道。
保持性质的新制造方法
简单来说，研究人员在其纳米碟设计中通过晶体的非线性合并了材料和光学共振与光频率转换能力。他们利用了过渡金属二硫化物（TMD），具体来说是二硫化钼，这是一种在室温下显示出优异光学特性的原子薄材料。然而，由于其晶体晶格对称性的限制，堆叠这种材料而不影响其非线性特性是一个挑战。
“我们首次成功创造出一种特定堆叠的二硫化钼纳米碟，在其整个体积中保持了破坏的逆对称性，因而维护了光学非线性。这个纳米碟能够维持每个单独层的非线性光学特性，从而实现材料效应的保留和增强，”乔治·佐格拉夫说。
该材料具有高折射率，允许在其内部更有效地压缩光。此外，它能够轻松转移到任何基底上，而不需要将原子晶格与底层材料对齐。该纳米结构在局部化电磁场和产生双倍频率光方面也极为有效，这一现象称为二次谐波生成。这是一种非线性光学效应，类似于高能脉冲激光系统中使用的效应。
因此，该纳米碟将极高的非线性和高折射率整合为一个紧凑的结构。
光学研究的重要进展
“我们提出的材料和设计代表了尖端技术，因为它们具有异常高的固有非线性光学特性和显著的线性光学特征——在可见光谱内的折射率为4.5。这些特征使我们的研究非常新颖，并可能吸引不同的行业，”乔治·佐格拉夫说。
“这真是一个具有突破性的成就，尤其考虑到碟形物体的微小尺寸。尽管二次谐波生成和其他非线性现象在激光中被广泛应用，利用它们的平台通常为厘米级。而我们的物体约为50纳米，大小约为100,000倍更小，”研究领导者蒂穆尔·谢盖教授补充道。
研究人员对纳米碟的能力能够推动光子学研究感到乐观。从长远来看，TMD材料的超紧凑尺寸结合其独特的特性，可以在复杂的光学和光子应用中得到利用。例如，这些结构可以在各种光学电路或光子设备的小型化中找到应用。
“我们相信这将促进未来各种经典和量子非线性纳米光子实验。通过有效地对这种卓越材料进行纳米结构化，我们可以显著减小光学设备（如纳米碟阵列和超表面）的尺寸并提升效率。这些创新可能对非线性光学和纠缠光子对的生成有益。虽然这只是一个小小的初步步骤，但它确实是一个重要的步骤。我们只是开始探索这些可能性，”蒂穆尔·谢盖总结道。
