哥倫比亞研究人員設計了一種技術，該技術可將2D材料的可調對稱性用于非線性光學應用，包括激光、光譜、成像和計量系統，以及下一代光學量子信息處理和計算。

非線性光學技術，是研究光與物質的相互作用，對于許多光子應用而言至關重要，從我們都熟悉的綠色激光筆到強烈的寬帶（白色）光源用于實現光量子計算，超分辨率成像，光學傳感和測距等功能的量子光子學。通過非線性光學，研究人員正在發現使用光的新方法，從更深入地研究物理，生物學和化學的超快過程，到增強通信和導航，太陽能收集，醫學測試和網絡安全。

兩塊氮化硼晶體相對于彼此動態扭曲。由于微機械對稱性的破壞，在某些角度下，入射的激光（橙色光束）可以有效地轉換為更高能量的光（粉紅色光束）

哥倫比亞工程學院的研究人員報告說，他們開發了一種新的有效方式來調制和增強一種重要的非線性光學過程：光學二次諧波的產生，其中兩個輸入光子在材料中結合在一起，從而產生一個能量兩倍的光子。通過微機械旋轉和多層堆疊形成六方氮化硼。該研究成果 于3月3日在線發表在《科學進展》雜志上。

機械工程學副教授James Schuck和機械工程學教授王芳仁（James Hone）共同領導了這項研究，他說：“我們的工作是首次將2D材料的動態可調對稱性用于非線性光學應用。”

二維材料領域中的一個熱門話題是探索相對于另一層扭轉或旋轉一層如何改變層狀系統的電子特性-這是3D晶體中無法實現的，因為原子是如此緊密地結合在一起在3D網絡中。解決這一挑戰導致出現了一個新的研究領域，稱為“ twistronics”。在這項新的研究中，研究小組使用了扭轉學的概念來表明它們也適用于光學性質。

舒克說：“我們稱這個新的研究領域為‘twistoptics’。” “我們的光學光學方法表明，我們現在可以在非常小的體積（僅幾個原子層厚度）中實現巨大的非線性光學響應，從而使糾纏的光子生成具有更緊湊的，與芯片兼容的封裝。”響應完全可以根據需要進行調整。”

當今大多數常規的非線性光學晶體都是由共價鍵合的材料制成的，例如鈮酸鋰和硼酸鋇。但是，由于它們具有剛性的晶體結構，因此難以對其進行非線性光學性質的工程設計和控制。但是，對于大多數應用而言，對材料的非線性光學特性進行一定程度的控制是必不可少的。

該小組發現范德華多層晶體為工程光學非線性提供了另一種解決方案。由于極弱的夾層力，研究人員可以通過微機械旋轉輕松地控制相鄰層之間的相對晶體取向。憑借在原子層極限處控制對稱的能力，他們分別使用微轉子裝置和超晶格結構演示了精確的調諧和光學二次諧波產生的巨大增強。對于超晶格，該團隊首先使用層旋轉在各層之間創建了“扭曲”界面，從而產生了非常強的非線性光學響應，然后將這些“扭曲”界面中的幾個相互疊加在一起。

舒克實驗室的博士后研究員，論文的共同主要作者姚開元說：“我們證明了非線性光學信號實際上與扭曲接口數量的平方成正比。” “因此，這使得單個接口已經很大的非線性響應增強了幾個數量級。”

該小組的研究結果有幾個潛在的應用。微轉子產生的可調諧的二次諧波可能會導致新穎的片上換能器，該傳感器通過將機械運動轉化為光，將微機械運動耦合到敏感的光信號。這對于許多傳感器和設備（例如原子力顯微鏡）至關重要。

將多個氮化硼薄膜彼此堆疊在一起，并控制其扭轉角，可大大增強非線性響應。這可能提供一種新的方法來制造具有原子精度的高效非線性光學晶體。這些可用于廣泛的激光（例如綠色激光筆），光譜學，成像和計量系統中。也許最重要的是，它們可以提供一種緊湊的方法來生成糾纏光子和單光子，以用于下一代光學量子信息處理和計算。

這項工作是 在哥倫比亞的可編程量子材料能源前沿研究中心與馬克斯·普朗克研究所物質結構與動力學研究所的理論合作者進行的。該設備的制造部分是在“哥倫比亞納米技術計劃”的無塵室完成的。

舒克說：“我們希望，這一演示為旨在利用和控制材料特性的正在進行的敘述提供了新的思路。”
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