利用新型二维材料推动光子学技术的发展

韩国大邱庆英科学技术研究所的科学家们开发出一种新的工艺，可以在二维材料中提供超快的光子产生过程。这一过程有可能推动光子学领域先进光学器件的发展。

光子学，或操纵光的科学，在现代电子学中有着广泛的应用，如信息技术、半导体和基于健康的设备。因此，全球的研究人员一直致力于寻找新的方法来推动光子学领域的进步。但是，挑战在于如何根据需要优化“光子产生”的过程，这对所有基于光子学的应用都至关重要。

在最近发表在Nano Letters杂志上的一项研究中，由J.D.Lee教授领导的大邱庆英科学技术研究所（DGIST）的一个研究小组开发了一种新的机制，可以最大限度地提高二维材料中光子转换的效率。科学家们通过探索一种称为“非线性二次谐波产生”（SHG）的方法来实现这一目标，这是一种光学过程，其中两个频率相同的光子与非线性材料相互作用，产生一个能量为两倍的新光子，从而实现倍频光子的高效产生是发展光子器件的关键。“在我们的研究中，我们开发了一种原子层材料中光子转换的超快过程，以创新基于光子学的应用。”

在他们的研究中，科学家们把重点放在了一种称为钨二硒醚（WSe2）的二维材料上，这是因为它具有有趣的能带特性。例如，这种材料由各种各样的“共振点”组成，这些“共振点”对被称为“光子”的光粒子的吸收作出灵敏的反应。Lee教授说，“我们着重研究了钨二硒醚的这一特性，并揭示了一种通过最大化双共振模式转换光子中“颜色”的新过程。”

在二次谐波的基础上，研究人员提出了一种称为“双共振光学和频产生”（SFG）的新方法，即在钨二硒醚中分别选择两个谐振点，分别称为A和D激子。利用这种方法，研究人员发现，当用两个激发脉冲（ω1和ω2）辐照钨二硒醚时，其中一个脉冲（ω1）被调谐为激子，其和频（ω1+ω2）被调谐到D激子，信号比单共振模高20倍！不仅如此，在相同条件下，这种方法产生的强度比非线性二次谐波产生高一个数量级。这些发现随后被各种技术证实，包括密度泛函理论和光学实验。李教授说：“我们提出的双共振SFG方法不仅为非线性光谱和微观方法，而且对使用二维半导体的非线性光学和技术提供了新的科学见解。”

这些发现显示了发展先进光子器件的巨大潜力。Lee教授总结道：“我们的研究有可能将基于光子学的应用提升到一个新的水平，例如，在不久的将来，通过更好的光学成像仪器，获得更便宜的诊断方法。”

相关链接：https://phys.org/news/2020-07-dual-resonant-method-d-materials-spur.html