旋光镜一种控制光学非线性的新型有效方法

两块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，在某些角度下，入射的激光（橙色光束）可以有效地转换为更高能量的光（粉红色光束）。

哥伦比亚研究人员设计了第一种技术，该技术可将2D材料的可调对称性用于非线性光学应用，包括激光，光谱，成像和计量系统，以及下一代光学量子信息处理和计算。

非线性光学是一种研究光与物质相互作用的方法，对于许多光子应用来说至关重要，从我们都熟悉的绿色激光笔到用于光子学的宽带宽带（白色）光源，这些光源可以实现光学量子计算，超分辨率。成像，光学传感和测距等。通过非线性光学，研究人员正在发现使用光的新方法，从更深入地研究物理，生物学和化学的超快过程，到增强通信和导航，太阳能收集，医学测试和网络安全。

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方式来调制和增强一种重要的非线性光学过程：光学二次谐波的产生-将两个输入光子结合在材料中，以产生六倍于六方硼的光子。通过微机械旋转和多层堆叠形成氮化物。这项研究于2021年3月3日由科学进展在线发表。

实验示意图。氮化硼晶体被蚀刻成微型转子形状，并被AFM尖端推动。以此方式，界面晶格结构的对称性（放大插图）被动态地调谐，从而导致光频率转换的调制效率。

机械工程学副教授James Schuck和机械工程学教授王芳仁（James Hone）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用于非线性光学应用。”

在2D材料领域中，一个热门话题一直在探索相对于另一层扭转或旋转一层如何改变层状系统的电子特性-这在3D晶体中是无法做到的，因为原子之间紧密地结合在一起3D网络。解决这一挑战导致出现了一个新的研究领域，称为“ twistronics”。在这项新的研究中，研究小组使用了扭转学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'twistoptics'。”“我们的光学光学方法表明，我们现在可以在非常小的体积（仅几个原子层厚度）中实现巨大的非线性光学响应，从而使纠缠的光子生成具有更加紧凑的，与芯片兼容的封装。而且，响应完全可以根据需要进行调整。”

当今大多数常规的非线性光学晶体都是由共价键合的材料制成的，例如铌酸锂和硼酸钡。但是，由于它们具有刚性的晶体结构，因此难以对其进行非线性光学性质的工程设计和控制。但是，对于大多数应用而言，对材料的非线性光学特性进行一定程度的控制是必不可少的。

该小组发现范德华多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案。由于极弱的夹层力，研究人员可以通过微机械旋转轻松地控制相邻层之间的相对晶体取向。凭借在原子层极限处控制对称的能力，他们分别使用微转子装置和超晶格结构演示了精确的调谐和光学二次谐波生成的巨大增强。对于超晶格，该团队首先使用层旋转在各层之间创建了“扭曲”界面，从而产生了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在一起。

舒克实验室的博士后研究员，论文的共同主要作者姚开元说：“我们证明了非线性光学信号实际上与扭曲接口数量的平方成正比。”“因此，这使单个接口已经很大的非线性响应增强了几个数量级。”

该小组的发现有一些潜在的应用。微转子产生的可调谐的二次谐波可能会导致新颖的片上换能器，该传感器通过将机械运动转化为光，将微机械运动耦合到敏感的光信号。这对于许多传感器和设备（例如原子力显微镜）至关重要。

将多个氮化硼薄膜彼此堆叠在一起，并控制其扭转角，这表明大大增强了非线性响应。这可能提供一种新的方法来制造具有原子精度的高效非线性光学晶体。这些可用于广泛的激光（例如绿色激光笔），光谱学，成像和计量系统中。也许最重要的是，它们可以提供一种紧凑的方法来生成纠缠光子和单光子，以用于下一代光学量子信息处理和计算。

这项工作是在哥伦比亚的可编程量子材料能源前沿研究中心与马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的理论合作者进行的。该设备的制造部分是在“哥伦比亚纳米计划”的无尘室完成的。

舒克说：“我们希望，该演示为正在进行的旨在利用和控制材料特性的叙述提供了新的思路。”

参考：姚开元1，内森·芬尼1，金章2，塞缪尔·摩尔3，勒德·西安2†，尼古拉斯·坦科涅-德让2，刘芳4，珍妮·阿德莱恩1，徐欣怡1， Dorri Halbertal3，56334 K. Watanabe，T. Taniguchi，Hector Ochoa，Ana Asenjo-Garcia，朱晓阳，DN Basov3，Angel Rubio2,7，Cory R. Dean3，James Hone1和P. James Schuck，2021年3月3日，科学进
步。DOI：10.1126 / sciadv.abe8691

哥伦比亚大学机械工程系德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所，哥伦比亚大学物理系，哥伦比亚大学化学系，日本国立材料科学研究所功能材料研究中心，日本国立国际材料研究所纳米材料国际研究中心日本西蒙斯基金会熨斗研究所计算量子物理中心

这项研究主要是由美国能源部（DOE），基础能源科学（BES）科学办公室资助的能源前沿研究中心Programmable Quantum Materials的部分支持，并获得了DE-SC0019443的资助。欧洲研究委员会（ERC-2015-AdG694097），卓越集群AIM和马克斯·普朗克研究所-纽约非平衡量子现象中心（A.R.）提供了涉及该项目DFT计算的理论支持。

熨斗研究所（Flatiron Institute）是西蒙斯基金会（Simons Foundation）的第AQ7号决议。N.F.感谢合作协议号DE-NA0003864提供的管理科学研究生奖学金计划的支持。K.W. T.T.和T.T.感谢日本MEXT（授权号JPMXP0112101001），JSPS KAKENHI（授权号JP20H00354）和CREST（JPMJCR15F3），JST实施的基本策略倡议的支持。J.Z.承认根据《玛丽·斯洛道夫斯卡-居里资助协议886291》（PeSD-NeSL）从欧盟“地平线2020”研究与创新计划获得了资助。

F.L.，X.Y.Z。和J.H.是哥伦比亚大学提交的与这项工作相关的专利申请的发明人（2019年12月6日提交的第62 / 944,753和62 / 963,839号）。作者宣称他们没有其他竞争利益。