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受蝴蝶翅膀啟發(fā)科學家攻克光學難題 蝴蝶翅膀上閃爍的藍色光澤啟發(fā)研究人員找到了解決一個挑戰(zhàn)的突破口，這個挑戰(zhàn)曾被認為是不可逾越的——在可見光波長范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)高級光學過程。 研究人員最終開發(fā)出一種有圖案的材料層，其厚度只有頭發(fā)絲的一小部分，這種材料可以成為全新光學技術的基礎：這項技術的應用范圍很廣，從自適應偽裝、生物傳感，到用于片上計算和安全通信的量子光引擎。 這項研究發(fā)表在《科學進展》上。第一作者是ARC變革性超光學系統(tǒng)卓越中心和BluGlass有限公司的Mudassar Nauman博士。Nauman博士在澳大利亞國立大學物理科學與工程研究學院電子材料工程系和澳大利亞國立大學工程學院聯(lián)合攻讀學位時完成了這項工作。 Nauman博士說："我們重新設想了光和物質(zhì)如何相互作用，這使我們能夠把一個難題變成解決方案的一部分。通過連接兩個過程，我們把曾經(jīng)看似走入死胡同的難題變成了實際應用，而且適應性很強，可以內(nèi)置到從玻璃板到隱形眼鏡的任何東西上。" 這項研究為用超表面實現(xiàn)非線性光學開辟了道路，超表面是一種用小于光波長的結(jié)構(gòu)圖案化的薄層，可以產(chǎn)生與天然材料截然不同的材料特性。更好的是，非線性效應可以通過改變輸入光的偏振來打開和關閉，并通過改變材料的溫度來調(diào)節(jié)。 來自澳大利亞堪培拉新南威爾士大學的合著者Andrey Miroshnichenko教授說，新設備的非線性光學過程可以實現(xiàn)頻率的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換，這在夜視技術（將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光）或產(chǎn)生量子糾纏光子對等過程中非常有用。他說："這項研究最令人興奮的一點是，它讓我們離快速、可調(diào)諧光學元件的實際應用更近了一步——這項技術可以真正地讓不可見的東西變得可見。" 澳大利亞國立大學工程學院的合著者Yuerui（Larry）Lu教授補充說："這一突破為利用范德華材料的獨特優(yōu)勢實現(xiàn)具有可調(diào)非線性響應的可重構(gòu)光學器件鋪平了道路，并為下一代量子和光子技術奠定了基礎。" 有效的非線性過程需要具有高折射率和強光學質(zhì)量的材料。基于這些標準，該項目專注于一類突出的材料：由過渡金屬與氧族元素（第16族，稱為硫族元素）的陰離子結(jié)合而成的晶體。這些過渡金屬二硫?qū)倩镉捎谄鋯尉з|(zhì)量和寬可調(diào)帶隙而表現(xiàn)出強大的半導體特性。它們還表現(xiàn)出極強的光-物質(zhì)相互作用，這是由激子的形成引起的，激子是由電子和空穴結(jié)合在一起形成的準粒子。過渡金屬二硫?qū)倩锟梢耘c硅芯片技術無縫集成，因此有望實現(xiàn)廉價和實際的擴展。 然而，在它們常見的2H晶體形式（鏡面層晶體）中，過渡金屬二硫?qū)倩镉袃蓚�看似不可克服的問題：首先，雖然對使用紅外波長的電信有用，但過渡金屬二硫?qū)倩飳θ祟愐曈X應用所需的可見光是不透明的，因為激子吸收太強。其次，它們的晶體結(jié)構(gòu)關于中心點對稱，這抑制了一半的非線性轉(zhuǎn)換過程：只允許頻率轉(zhuǎn)換為奇數(shù)倍（三倍、五倍、七倍頻率等）——不幸的是，最簡單且通常最有效的過程，即倍頻（也稱為二次諧波產(chǎn)生），非常弱。其他研究試圖解決這些問題，但一直受到結(jié)構(gòu)脆弱、吸收或需要低溫冷卻等問題的困擾。 在思考這一挑戰(zhàn)時， Nauman博士受到了大閃蝶翅膀鮮艷色彩的啟發(fā)。 Nauman博士說："這種活力的秘訣是一個巧妙的兩部分系統(tǒng)。透明的納米結(jié)構(gòu)反射藍光，一層黑色的黑色素位于下方，吸收任何雜散光。這就像黑色天鵝絨上的鉆石——黑色的背景使鉆石的光芒更加燦爛。大自然告訴我，最好的結(jié)果往往來自間接的解決方案。" Nauman博士提出的間接解決方案是使用近紅外波長泵浦激光器，它可以進入過渡金屬二硫?qū)倩锒槐晃眨⑵渑c超表面設計配對，以設計1220 nm的共振——激子波長的兩倍——以利用能量。這種共振，一種被稱為連續(xù)體中準束縛態(tài)的類型，被設計為純磁性的——避免了任何會導致輻射損耗的電偶極子組件。這確保了共振具有高Q值——換句話說，泵浦能量被有效地捕獲，使其能夠建立到與激子在兩倍頻率（半波長，610 nm）下相互作用的水平，并且可以產(chǎn)生通常很弱的二次諧波輻射。激子和準束縛態(tài)共振之間的這種虛擬相互作用是設備性能的核心——而且，關鍵的是，這是一個研究人員可以按需打破或恢復的鏈接。  支持準束縛態(tài)共振所需的超表面幾何形狀包括一組新月形納米結(jié)構(gòu)陣列，每個都小于光的波長。在非磁性材料中實現(xiàn)這種純磁性準束縛態(tài)共振是罕見的，這里是在單晶過渡金屬二硫?qū)倩镏袑崿F(xiàn)的。新月形的不對稱性賦予了超表面偏振響應——通過改變泵浦偏振來打開或關閉共振——從而打開或關閉虛擬激子鏈接，調(diào)制非線性光強度。可以通過調(diào)諧激子共振來施加更多的動態(tài)控制，激子共振可以通過材料應變、電場或本實驗中使用的溫度來移動。變革性超光學系統(tǒng)卓越中心主任Dragomir Neshev教授說："這是一個絕佳的機會，可以利用激子的可調(diào)性來實現(xiàn)超材料非線性響應的極端可調(diào)性。" 使用二硫化鎢的初步實驗成功地證明了這一原理，在可見光譜中實現(xiàn)了比單層二硫化鎢高兩個數(shù)量級的增強，比未圖案化的塊狀薄膜高四個數(shù)量級的增強。在-100攝氏度和100攝氏度之間改變溫度會使激子共振移動約20 nm。這種移動也改變了虛擬連接的強度，從而調(diào)制了非線性光強度。來自英國諾丁漢特倫特大學的杰出教授Mohsen Rahmani說，團隊合作是這項成就的關鍵。他說："看到來自全球不同角落的不同科學家團隊如何跨境合作以推進人類知識，這令人鼓舞。" 這一成功開啟了過渡金屬二硫?qū)倩镌诳梢姽庾V范圍內(nèi)用于二次諧波產(chǎn)生的應用，其效率前所未有。來自意大利布雷西亞大學的合著者Domenico de Ceglia副教授說："挑戰(zhàn)傳統(tǒng)智慧是令人興奮的。人們通常期望激子通過吸收來淬滅諧波信號。在這里，我們展示了相反的情況——我們不僅實現(xiàn)了大大增強的二次諧波產(chǎn)生產(chǎn)率，而且更重要的是，我們獲得了一個強大的動態(tài)調(diào)諧手柄。" Nauman博士說，將這些材料的弱點成功地轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢可能會帶來許多好處。他說："我們將過渡金屬二硫?qū)倩镛D(zhuǎn)化為高效的非線性發(fā)射器。重要的是，這種策略是通用的——準束縛態(tài)共振可以在塊狀、少層甚至單層過渡金屬二硫?qū)倩镏屑ぐl(fā)，使它們成為可調(diào)諧和高效非線性光學的強大平臺。因為它可以動態(tài)調(diào)諧，這種方法可以用于今天聽起來像科幻小說的技術；例如，光-物質(zhì)相互作用可以動態(tài)調(diào)諧的神經(jīng)接口，可重構(gòu)的超薄全息AR/VR透鏡，或純粹由光控制的隱形超表面。" 相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.ady2108 |
