科研进展丨松山湖材料实验室轻元素材料团队利用相干堆垛氮化硼纳米管实现强手性光学非线性

2024-06-12
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松山湖材料实验室/北京大学王恩哥院士、刘开辉教授、北京大学物理学院洪浩特聘副研究员与合作者在手性非线性光学晶体领域取得重要进展。研究团队突破了一维材料体系二次谐波输出的纪录——单根氮化硼纳米管转换效率~0.01%,输出功率~1.5微瓦(比传统一维材料提高2个数量级),实现了圆二色性-0.7到+0.7的连续可调。研究成果有望为新一代手性光电子器件领域带来新的材料体系和应用场景。2024年6月6日,相关研究成果以“相干堆垛氮化硼纳米管的强手性光学非线性”(Strong chiroptical nonlinearity in coherently stacked boron nitride nanotubes)为题,在线发表于《自然·纳米科技》(Nature Nanotechnology)。《自然·纳米科技》杂志编辑部还特别发表了以“多壁氮化硼纳米管的强手性非线性光学响应”(Multiwalled boron nitride nanotubes with a strong nonlinear chiroptical response)为题的研究简报(Research Briefing),对文章进行专题报道。

手性非线性光学晶体是指同时具有中心反演对称性破缺和镜面对称性破缺的晶体材料。这类晶体不仅可以产生高效的非线性频率转换,而且对左旋和右旋圆偏振光响应不同,具备独特的参量光偏振态调控功能,其在光学加密和安全防护、非线性全息成像以及量子信息处理等多个前沿应用领域中有重要作用。然而,传统非线性光学晶体单晶的手性效应通常极弱,而利用手性分子组装的人工晶体的转换效率又普遍很低。因此,开发高稳定、高非线性、高手性光学活性的晶体材料,是推动新一代手性光电子学技术突破的关键。

针对上述挑战,研究团队发现一维多壁氮化硼纳米管是实现强手性非线性光学响应的理想材料。氮化硼纳米管具备高度稳定的物理化学性质,其激光损伤阈值与传统光学晶体相当,而非线性系数要高1-2个量级。研究发现氮化硼纳米管具有独特的层间相干堆垛结构,不同管壁具有相同的手性、螺旋性和极性。这种相干堆垛结构保证了每一层管壁产生的参量光具有相同的光学相位,总信号随管壁的层数非线性增加。单根氮化硼纳米管二次谐波转换效率高达~0.01%,输出功率~1.5微瓦,输出光斑裸眼清晰可见。纳米管的手性结构附加参量光额外的非线性几何相位,带来-0.7到+0.7连续可调的非线性圆二色性。本工作的研究发现为手性光电子学领域带来了全新的材料体系,有望推动小型化、高集成的手性非线性光源和探测器技术突破。

图1. a, 二维氮化硼卷曲成一维氮化硼纳米管的示意图。b, 相干堆垛的多壁氮化硼纳米管中管壁之间具有相同的手性、螺旋性和极性。c-e, 多壁氮化硼纳米管高效二次谐波输出(c-d)和连续可调二次谐波圆二色性(e)。

北京大学博士后马超杰、刘畅和博士生马辰俊、郭泉林为论文共同第一作者;松山湖材料实验室/北京大学刘开辉教授和北京大学物理学院洪浩特聘副研究员为论文共同通讯作者。论文合作者还包括北京大学王恩哥院士、高鹏教授、吴慕鸿副研究员,中国科学院物理研究所白雪冬研究员、王文龙研究员,芬兰阿尔托大学孙志培教授等。

研究工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金会科学探索奖等相关项目及松山湖材料实验室、北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、轻元素先进材料研究中心、电子显微镜实验室等的大力支持。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01685-3

 

 

撰稿:轻元素材料团队