北京大學(xué)在二維非線性光學(xué)材料領(lǐng)域取得重要研究成果

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院王楠林教授課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組、北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王恩哥院士課題組等合作，在二維層狀材料的非線性光學(xué)性質(zhì)研究方面取得了重要進(jìn)展：首次在一類新型范德瓦爾斯層狀材料——過渡金屬磷硫族化合物MPX3(M=過渡金屬元素，X=S、Se)中發(fā)現(xiàn)了巨大的高階非線性光學(xué)響應(yīng)，并揭示其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面均具有重要價值。8月2日，相關(guān)研究成果以《一種范德瓦爾斯關(guān)聯(lián)絕緣體中的巨大非線性光學(xué)混頻效應(yīng)》（“Giant nonlinear optical wave mixing in a van der Waals correlated insulator”）為題，發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。 J/je/PC  
非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)研究中的重要方向。非線性光學(xué)混頻效應(yīng)，如高次諧波、和頻與差頻、多波混頻效應(yīng)等，在傳統(tǒng)的激光技術(shù)、光學(xué)傳感和探測領(lǐng)域，以及新興的量子信息技術(shù)、微納光子學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，非線性光學(xué)材料研究的一大熱點是范德瓦爾斯層狀二維材料。與傳統(tǒng)非線性光學(xué)三維體材料相比，二維材料易于進(jìn)行微納尺度加工、與光電子器件集成，且具有更大的非線性光學(xué)系數(shù)，因此在集成光子學(xué)、量子計算等新興領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。發(fā)現(xiàn)高效的二維非線性光學(xué)材料、制備新型非線性光學(xué)器件等也成為了非線性光學(xué)的研究焦點。 E]@&<TFq  
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，過渡金屬磷硫族化合物MPX3是一類新的具有研究和應(yīng)用前景的二維非線性光學(xué)材料，并展示了其顯著的非線性光學(xué)效應(yīng)和高非線性轉(zhuǎn)換效率。MPX3是一種范德瓦爾斯反鐵磁絕緣體，近年來它們的新奇物理特性受到了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。該類材料具有電荷、自旋和晶格系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)及多體效應(yīng)，特殊的磁、光學(xué)性質(zhì)及可調(diào)控性。由于目前已有的二維非線性光學(xué)材料大多是較為簡單的物理體系，MPX3材料中的復(fù)雜關(guān)聯(lián)物理性質(zhì)使之區(qū)別于已有的二維非線性光學(xué)材料，能夠為研究非線性光學(xué)過程中的光-物質(zhì)復(fù)雜相互作用、非線性效應(yīng)的多自由度調(diào)控提供可能。 cE]z Tu?!  
盡管近年來關(guān)于MPX3材料的物性已有許多研究，但它的高階非線性光學(xué)性質(zhì)卻并未有人探究。研究團(tuán)隊首次報道了這類材料具有巨大的高階非線性光學(xué)響應(yīng)。研究團(tuán)隊使用兩束近紅外飛秒激光照射MnPSe3、MnPS3等樣品，發(fā)現(xiàn)樣品產(chǎn)生了一系列從紫外到可見光范圍內(nèi)的、肉眼可見的非線性光學(xué)高階混頻信號，包括三次諧波、非簡并四波混頻和六波混頻信號。研究團(tuán)隊進(jìn)一步測量了MnPSe3材料的近紅外三次諧波的相應(yīng)三階非線性光學(xué)極化率，發(fā)現(xiàn)該數(shù)值達(dá)到了所有二維材料所報道過的近紅外波段三階非線性極化率的最高值范圍。并且，該樣品產(chǎn)生的一系列的非線性高階混頻信號都具有很高的光學(xué)轉(zhuǎn)化效率，超過了典型的非線性光學(xué)材料（如LiNbO3、GaSe、WS2）。這些結(jié)果都說明了該材料體系的卓越非線性光學(xué)性能。研究團(tuán)隊還展示了如何利用這些高效的混頻效應(yīng)構(gòu)建一種特殊的多色的、多方向性的非線性光學(xué)波導(dǎo)，后續(xù)可能會啟發(fā)集成光子學(xué)和量子信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。 4[gmA