独特纳米盘如何助力光子学研究取得突破

光子应用借助光与物质相互作用的力量，产生了各种各样有趣的现象。

现在，查尔姆斯理工大学物理系的研究人员成功地在一个盘状纳米物体中结合了两个主要的研究领域——非线性和高折射率纳米光子学。

“我们对取得的成就感到既惊讶又高兴。这种盘状结构比光的波长小很多，但它是一种效率非常高的光频率转换器。它的效率比同类无结构材料高出 1 万倍，甚至可能更高，这证明了纳米结构化是提高效率的途径，”《自然光子学》中这篇文章的主要作者乔治·佐格拉夫博士说，研究结果发表在该杂志上。

简单来讲，研究人员在纳米盘中将材料、光学共振以及通过晶体的非线性来转换光频率的能力结合了起来。在其制造过程中，他们使用了过渡金属二硫属化物（TMD），即二硫化钼，这是一种在室温下具有出色光学性能的原子级薄材料。然而，这种材料的问题在于，由于其晶格对称性的限制，很难在不损失其非线性特性的情况下进行堆叠。

“我们首次制造出了一种特定堆叠的二硫化钼纳米盘，它在体积方面保留了破缺的反演对称性，因此保持了光学非线性。这样的纳米盘可以保持每一层的非线性光学特性。这意味着材料的效果既得到了保持又得到了增强，”佐格拉夫说。

这种材料具有高折射率，这意味着光在这种介质中能够更有效地被压缩。此外，该材料的优点是可以在任何衬底上转移，而无需与底层材料的原子晶格匹配。

这种纳米结构在电磁场的局域化这一方面也表现得非常有效，并能从中产生倍频光，这种效应被称为二次谐波产生。这是一种所谓的非线性光学现象，例如，类似于高能脉冲激光系统中使用的和频和差频产生效应。

因此，这种纳米盘在一个紧凑的单一结构中，将极强的非线性与高折射率相结合。

“我们提出的材料和设计是最先进的，因为它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。这两个特性使我们的研究如此新颖，甚至对工业界都具有潜在吸引力，”佐格拉夫说。

“这确实是一个里程碑，尤其是因为磁盘的尺寸极小。二次谐波产生和其他非线性在激光中每天都在使用，但利用它们的平台通常在厘米级。相比之下，我们的物体的尺度约为 50 纳米，因此，结构薄了约 10 万倍，”研究负责人蒂穆尔·谢盖教授说。

研究人员认为，纳米盘的相关研究将推动光子学研究向前发展。从长远来看，TMD 材料极其紧凑的尺寸，加上其独特的性能，有可能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学电路中，或用于光子学的小型化。

“我们相信，它可以为未来各种量子和经典的非线性纳米光子学实验做出贡献。凭借对这种独特材料进行纳米结构化的能力，我们可以大幅减小光学器件的尺寸并提高效率，例如纳米盘阵列和超表面。

“这些创新可用于非线性光学和纠缠光子对的产生等应用。这只是一小步，但却是非常重要的一步。我们才刚刚开始，”舍盖表示。