哥伦比亚大学工程和应用科学学院 两块氮化硼晶体相对于彼此动态扭曲
在某些角度，入射激光(橙色光束)可以有效地转换成更高能量的光(粉红色光束)，这是微机械对称性破坏的结果
信用:内森·R
芬尼和桑胡恩蔡/哥伦比亚工程 非线性光学是一门研究光如何与物质相互作用的学科，对许多光子应用至关重要，从我们都熟悉的绿色激光指示器到量子光子学的强宽带(白色)光源，这些光源支持光学量子计算、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，从更仔细地观察物理、生物和化学中的超快过程，到增强通信和导航、太阳能收集、医学测试和网络安全
哥伦比亚工程公司的研究人员报告说，他们开发了一种新的、有效的方法来调制和增强一种重要的非线性光学过程:光学二次谐波产生——两个输入光子混合在材料中，产生一个能量两倍的光子——从六方氮化硼通过微机械旋转和多层堆叠产生
这项研究于3月3日由《科学进展》在线发布
“我们的工作是第一次将二维材料的动态可调对称性用于非线性光学应用，”机械工程副教授詹姆斯·舒克说，他与机械工程教授王芳仁一起领导了这项研究
二维材料领域的一个热门话题是探索一层相对于另一层的扭曲或旋转如何改变层状体系的电子性质——这在三维晶体中是做不到的，因为原子在三维网络中紧密地结合在一起
解决这一挑战带来了一个新的研究领域，称为“twistronics”
“在这项新的研究中，研究小组使用了光子学的概念来证明它们也适用于光学性质
“我们称这个新的研究领域为‘twistoptics’，”舒克说
“我们的twistoptics方法表明，我们现在可以在非常小的体积内实现巨大的非线性光学响应，只需几个原子层厚度，例如，能够以更紧凑、芯片兼容的方式产生纠缠光子
此外，响应完全是按需可调的
" 实验示意图
氮化硼晶体被蚀刻成微旋转体形状，并由原子力显微镜尖端推动
以这种方式，界面晶格结构(放大插图)的对称性被动态调整，导致光频率转换的调制效率
信用:内森·R
芬尼和桑胡恩蔡/哥伦比亚工程 当今大多数传统的非线性光学晶体是由共价键合的材料制成的，例如铌酸锂和硼酸钡
但是因为它们具有刚性晶体结构，所以很难设计和控制它们的非线性光学特性
然而，对于大多数应用来说，对材料的非线性光学特性进行一定程度的控制是至关重要的
该小组发现范德瓦尔斯多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案
由于层间力非常弱，研究人员可以通过微机械旋转轻松操纵相邻层之间的相对晶体取向
凭借在原子层极限控制对称性的能力，他们分别用微旋转器和超晶格结构展示了光学二次谐波产生的精确调谐和巨大增强
对于超晶格，该团队首先使用层旋转在层间产生“扭曲”界面，产生极强的非线性光学响应，然后将几个这样的“扭曲”界面堆叠在另一个之上
“我们表明，非线性光学信号实际上与扭曲界面数量的平方成正比，”舒克实验室的博士后研究员、该论文的合著者姚开元说
“所以这使得单个界面已经很大的非线性响应更强
" 该小组的发现有几个潜在的应用
来自微旋转器的可调谐二次谐波产生可以导致新型的片上换能器，其通过将机械运动转化为光而将微机械运动耦合到敏感的光学信号
这对许多传感器和设备(如原子力显微镜)至关重要
以受控的扭转角将多个氮化硼薄膜堆叠在彼此的顶部，表现出大大增强的非线性响应
这为制造高效的原子级非线性光学晶体提供了新的途径
这些可用于广泛的激光(如绿色激光指示器)、光谱学、成像和计量系统
或许最重要的是，它们可以为下一代光学量子信息处理和计算提供一种产生纠缠光子和单光子的紧凑方法
这项工作是由哥伦比亚大学可编程量子材料能源前沿研究中心和马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的理论合作者共同完成的
该装置的制造部分是在哥伦比亚纳米计划的洁净室中完成的
“我们希望，”舒克说，“这一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转折。”
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