新型纳米结构使非线性光转换效率提升7.2万倍

来自格拉茨技术大学（TU Graz）、哈佛大学和德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的研究人员开发了一种创新方法，用于实现光的非线性耦合。这为电信和量子技术开辟了新的可能性。

通过将新开发的半导体层与超表面相结合，研究团队在将光转换为新频率方面取得了突破。他们的方法对光的转换效率比以往材料高出约7.2万倍。研究人员将他们的发现发表在《自然·纳米技术》期刊上。

光作为信息传输介质广为人知，例如，其线性传播使现代光纤网络通信成为可能。然而，对于复杂计算操作、量子技术与密码学，或用于高精度测量技术的频率梳来说，线性传播是不够的。

在这些场景中，需要非线性极化，使光子能够彼此相互作用并交换信息。

此前无法实现的微型化

格拉茨技术大学实验物理研究所的Marcus Ossiander表示：“传统上，人们使用铌酸锂等大尺寸晶体结构来实现光波的非线性耦合。然而，这需要相当大的体积和大量的光能，迄今为止一直阻碍着微型化及许多应用。我们的方法使得在更小的结构中用光产生非线性极化成为可能，并且能耗显著降低。”

开发这种“光转换器”的起点，来自德克萨斯大学奥斯汀分校塞斯·班克领导的研究小组的一个想法。他们利用分子束外延技术，生长出纳米尺度的砷化镓和铝镓砷半导体层，其中包含非对称耦合的量子阱。

这些量子阱在空间上对电子运动的限制程度如此之强，以至于产生了量子化的、类似原子的态。由于量子阱被有意设计成非对称的，当受到光照时，电子主要朝一个方向运动。在这条人为制造的单行道上，非对称或非线性的电子振荡得以建立，使光波能够极其高效地相互作用。

解决光入射问题的方案

然而，来自德克萨斯的这一进展仍有一个局限：要充分利用半导体层的效应，光必须平行于这些层传播，这种配置在大多数应用中都很不便。因此，在实际技术实现中，电子不会沿着这条人工单行道运动，大部分非线性效应将会损失。

因此，有了一种很有前景的材料，却没有合适的方法来利用其特性。Marcus Ossiander后提出了关键想法：一种由精确棋盘图案的二氧化钛柱组成的超表面，每根柱子尺寸为数百纳米。这个超表面直接放置在半导体层之上，使光偏转，从而沿着单行路径散射。

他与哈佛大学费德里科·卡帕索的研究小组（特别是同事佩妮尔·法蒂）合作，将这一想法付诸实践。结果，他们成功利用半导体层的特性来激发和放大非线性光偏振。

在实验测试中，研究人员遇到了一个新现象。如果光以完全垂直的角度照射该组件（由超材料和半导体层组成），由于几何对称性，光场会相互抵消。然而，仅将样品倾斜0.3度就打破了这种对称性，从而实现了利用光的高效非线性极化。

Ossiander说：“我们在电信所用的波长上实现了效率提升7.2万倍的光转换。与过去30到40年所用的技术相比，这是一个巨大的飞跃。这种效率的提升不仅意味着未来组件可以更小，还意味着更低的能耗，例如在数据中心内计算机之间传输信息时。”

这对于专门从事集成光子学的光学制造商，以及利用这项技术处理海量数据的公司来说，可能同样具有吸引力。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41565-026-02268-0