清华大学发现极性斯格明子的巨大电场诱导二次谐波产生效应

光学二次谐波产生（SHG）是一种重要的非线性光学效应，自上世纪60年代发现以来被广泛应用在多种激光器与光电子器件中，同时作为表征分析手段在材料科学、生命科学等研究领域中也具有重要应用价值。近年来，随着电光调制器、全光开关、频率梳、量子光源等新兴集成光子学器件的发展，对研发具有高SHG调制性能的材料平台提出了要求和挑战。通常来说，传统铁电材料具有SHG效应，在外加电场作用下其内部可发生电畴翻转、晶格畸变等过程，因而可诱导SHG响应强度的变化。然而上述机制存在二阶非线性系数较低导致SHG强度低，调制深度低、调制速率慢，以及伴生的迟滞、疲劳问题等缺点，限制了传统铁电材料在SHG调制方面的应用。

近年来，在PbTiO3/SrTiO3等超晶格体系中发现的极性拓扑结构作为一种新型铁电材料进入了研究者的视野。极性斯格明子具有独特的纳米尺度极化构型以及拓扑保护性质，为其光电性能调控提供了全新机遇。在外加电场作用下，斯格明子中的离子极化位移产生集体相干的、短程而有规律的变化，改变晶格的宏观对称性，产生电场诱导二次谐波产生效应（EFISH）效应。这一效应不涉及畴壁形成与运动等过程，因此有望实现具有高调制深度、高调制速率、长循环寿命、宽温度区间的SHG调制器件。这一方面可以解决前述目前SHG调制器件的性能制约，拓展其应用前景；另一方面，将加深对极性拓扑结构的非线性光学性质及其调控机制的理解，有望开拓出全新的集成光子学器件研究方向。

针对上述关键问题，清华大学材料学院李千副教授课题组制备了具有高度有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜，实现了对极性斯格明子体系中EFISH效应的验证。课题组与国家纳米科学中心郑强研究员、浙江大学/浙江大学台州研究院洪子健研究员团队合作开展了电镜显微表征、相场理论模拟研究，深入阐明了极性斯格明子EFISH效应的微观机制（图1a）。研究中使用脉冲激光沉积生长出高质量的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜，并通过同步辐射X射线衍射倒易空间图（图1b）和球差校正透射电镜（图1c-g）验证其中存在有序化的极性斯格明子。在原位EFISH测试中（图2a-b），随着外加电压的上升，SHG强度随之上升，最高获得664% V-1的EFISH调谐率。进一步的实验和模拟结果揭示了极性斯格明子在不同方向外加电场作用下迥异的变化过程。当薄膜上电极施加正电压时，斯格明子收缩，从初始状态（图2c，中）向面外畴转变（图2c，右），从而导致原有伪中心对称性被破坏（图2d），产生较强的SHG响应；当薄膜上电极施加负电压时，斯格明子膨胀，相互接触后合并变为迷宫状（图2c，左），向面外畴转变的路径与正电压时不同，因而产生了不同的SHG响应。对比多种不同的EFISH材料体系或器件的调谐率和二阶非线性系数（图2e），其中极性斯格明子的调谐率为目前已报道的各类材料中的最高值。本工作验证了一种具有巨大EFISH效应的极性斯格明子体系，进一步厘清了其晶体结构、极化构型和SHG响应的关联，对新型非线性集成光子学材料平台的研发进程作出了重要推动。

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图1.具有有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格的结构特征

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图2.极性斯格明子EFISH效应的实验发现和理论解释

相关成果以“极性斯格明子的巨大电场诱导二次谐波产生效应”（Giant electric field-induced second harmonicgeneration in polar skyrmions）为题，近期在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上。其中超晶格制备与非线性光学器件设计方法已提交PCT国际发明专利申请。

材料学院2020级博士生王思旭、2021级博士生李为为论文的共同第一作者，李千、郑强、洪子健为论文的通讯作者，论文的其他重要合作者包括清华大学材料学院南策文院士、李敬锋教授，上海同步辐射光源李晓龙研究员，美国威斯康星大学麦迪逊分校保罗·埃文斯（Paul G.Evans）教授，浙江大学吴勇军教授等。研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、原创探索计划项目、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45755-5