独特的纳米盘推动光子学研究向前发展

光子应用利用光-物质相互作用的力量产生各种有趣的现象。这使得通信、医学和光谱学等领域取得了重大进展，同时也被用于激光和量子技术。 p'0X>>$
现在，查尔姆斯理工大学物理系的研究人员成功地将两个主要研究领域--非线性和高指数纳米光子学--结合到了一个圆盘状的纳米物体中。 o%,?v 9
主要作者Georgii Zograf博士说：“我们对所取得的成果感到惊讶和高兴。这个圆盘状结构比光的波长小得多，但却是一个非常高效的光频转换器。它的效率也是同类无结构材料的 10000 倍，甚至更高，这证明了纳米结构是提高效率的途径。” 4wN5x[vp
该研究成果发表在近期的《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。 zsLMROo3

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不失特性的新型制造
简而言之，研究人员在纳米磁盘中结合了材料和光学共振，通过晶体的非线性转换光频。在制造过程中，他们使用了过渡金属二掺杂物（TMD），即二硫化钼，这种原子级的薄材料在室温下具有出色的光学特性。然而，这种材料的问题在于，由于其晶格对称性的限制，很难在不失去非线性特性的情况下进行堆叠。
“我们首次制造出了一种特殊堆叠的二硫化钼纳米盘，这种纳米盘保留了其体积中被破坏的反对称性，因此保持了光学非线性。这种纳米盘可以保持每个单层的非线性光学特性。佐格拉夫说："这意味着这种材料的效果既能保持，又能增强。
这种材料具有很高的折射率，这意味着光在这种介质中可以被更有效地压缩。此外，这种材料还具有可在任何基底上转移的优点，无需将原子晶格与底层材料相匹配。
这种纳米结构还能非常有效地定位电磁场，并从中产生双倍频率的光，这种效应被称为二次谐波生成。例如，这是一种所谓的非线性光学现象，类似于高能脉冲激光系统中使用的和频和差频发生效应。
因此，这种纳米磁盘在单一、紧凑的结构中结合了极端非线性和高折射率。
光学研究的一大进步
佐格拉夫说：“我们提出的材料和设计具有极高的固有非线性光学特性和显著的线性光学特性（在可见光范围内折射率为 4.5），因而是最先进的。这两种特性使我们的研究如此新颖，甚至对业界都具有潜在的吸引力。”
研究负责人Timur Shegai教授说：“这确实是一个里程碑，特别是由于圆盘的尺寸非常小。二次谐波产生和其他非线性特性每天都在激光器中使用，但利用它们的平台通常都在厘米级。相比之下，我们这个物体的尺度约为 50 纳米，因此结构要薄 10 万倍。”
研究人员认为，纳米盘的工作将推动光子学研究向前发展。从长远来看，TMD 材料令人难以置信的紧凑尺寸，加上其独特的性能，有可能被用于先进的光学和光子应用。例如，这些结构可以集成到各种光路中，或用于光子学的微型化。
Shegai 说：“我们相信，这将有助于未来各种非线性纳米光子实验，包括量子实验和经典实验。通过对这种独特材料进行纳米结构化处理，我们可以大幅缩小纳米盘阵列和超表面等光学设备的尺寸，并提高其效率。这些创新可用于非线性光学和纠缠光子对的产生。这是微不足道的第一步，但却是非常重要的一步。我们只是刚刚触及表面。”
相关链接：https://phys.org/news/2024-09-unique-nanodisk-photonics.html
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01444-9

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