一种新型二维材料可用于超快光子学和非线性光学应用

在这个日益数字化的世界里，对更快、更高效且更小型化光学器件的需求持续增长。从高速互联网和安全量子通信，到先进的医学成像和精密制造，这些技术的支柱是光，特别是我们如何在纳米尺度上控制和操控光。

二维（2D）材料已成为这一领域的颠覆者，它提供了独特的特性，可用于超快光子学和非线性光学应用。

然而，寻找在近红外（NIR）波段（这对电信和传感而言是一个至关重要的窗口）兼具稳定性、可调性和高性能的材料，仍然是一项重大挑战。

香港理工大学（PolyU）应用物理学系副主任兼教授曾远康及其研究团队，推出了一种新的二维量子材料——乙炔化汞(II)框架（Hg–H₂TPP），该材料不仅克服了现有材料的诸多局限，还为可切换非线性光学和超快激光技术开辟了令人振奋的可能性。

通过将重汞(II)离子整合到含卟啉的石墨炔框架中，该团队开发出了一种具有卓越光学性质的材料，包括强且可调的非线性吸收、快速的载流子动力学，以及同时充当可饱和吸收体和光限幅器的能力。

这些特性对于开发调Q和锁模激光器等先进光子器件至关重要，而这些器件又是电信、高精度测量和量子信息处理的基础。该研究发表在《Carbon》上。

该研究表明，新合成的Hg–H₂TPP纳米片集多种特性于一身，非常适用于先进光子应用。最值得注意的是，该材料同时表现出可饱和吸收和反饱和吸收行为，并且其非线性吸收系数可以在很宽的范围内进行调节。

这种可切换的非线性响应，对于使材料能够根据入射光强度同时充当可饱和吸收体和光限幅器至关重要。

这项研究标志着量子材料和非线性光学领域的重大进展。通过设计一种D-π-A结构的二维乙炔化汞(II)框架，曾教授团队创造了一种结合了强近红外吸收、可调非线性光学响应和超快载流子动力学的材料，这些都是下一代光子器件的必备要素。

在可饱和吸收与反饱和吸收之间切换的能力，加上锁模和调Q激光器的成功演示，凸显了Hg–H₂TPP的潜力，其应用范围涵盖电信、量子信息处理、生物医学成像和激光制造等领域。

从这项工作中获得的洞见不仅增进了我们对二维量子材料的理解，也为开发实用、高性能的器件奠定了基础，这些器件将塑造量子技术的未来。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120234