受蝴蝶翅膀启发科学家攻克光学难题

蝴蝶翅膀上闪烁的蓝色光泽启发研究人员找到了解决一个挑战的突破口，这个挑战曾被认为是不可逾越的——在可见光波长范围内动态调节高级光学过程。

研究人员最终开发出一种有图案的材料层，其厚度只有头发丝的一小部分，这种材料可以成为全新光学技术的基础：这项技术的应用范围很广，从自适应伪装、生物传感，到用于片上计算和安全通信的量子光引擎。

这项研究发表在《科学进展》上。第一作者是ARC变革性超光学系统卓越中心和BluGlass有限公司的Mudassar Nauman博士。Nauman博士在澳大利亚国立大学物理科学与工程研究学院电子材料工程系和澳大利亚国立大学工程学院联合攻读学位时完成了这项工作。

Nauman博士说："我们重新设想了光和物质如何相互作用，这使我们能够把一个难题变成解决方案的一部分。通过连接两个过程，我们把曾经看似走入死胡同的难题变成了实际应用，而且适应性很强，可以内置到从玻璃板到隐形眼镜的任何东西上。"

这项研究为用超表面实现非线性光学开辟了道路，超表面是一种用小于光波长的结构图案化的薄层，可以产生与天然材料截然不同的材料特性。更好的是，非线性效应可以通过改变输入光的偏振来打开和关闭，并通过改变材料的温度来调节。

来自澳大利亚堪培拉新南威尔士大学的合著者Andrey Miroshnichenko教授说，新设备的非线性光学过程可以实现频率的上转换和下转换，这在夜视技术（将红外光转换为可见光）或产生量子纠缠光子对等过程中非常有用。他说："这项研究最令人兴奋的一点是，它让我们离快速、可调谐光学元件的实际应用更近了一步——这项技术可以真正地让不可见的东西变得可见。"

澳大利亚国立大学工程学院的合著者Yuerui（Larry）Lu教授补充说："这一突破为利用范德华材料的独特优势实现具有可调非线性响应的可重构光学器件铺平了道路，并为下一代量子和光子技术奠定了基础。"

有效的非线性过程需要具有高折射率和强光学质量的材料。基于这些标准，该项目专注于一类突出的材料：由过渡金属与氧族元素（第16族，称为硫族元素）的阴离子结合而成的晶体。这些过渡金属二硫属化物由于其单晶质量和宽可调带隙而表现出强大的半导体特性。它们还表现出极强的光-物质相互作用，这是由激子的形成引起的，激子是由电子和空穴结合在一起形成的准粒子。过渡金属二硫属化物可以与硅芯片技术无缝集成，因此有望实现廉价和实际的扩展。

然而，在它们常见的2H晶体形式（镜面层晶体）中，过渡金属二硫属化物有两个看似不可克服的问题：首先，虽然对使用红外波长的电信有用，但过渡金属二硫属化物对人类视觉应用所需的可见光是不透明的，因为激子吸收太强。其次，它们的晶体结构关于中心点对称，这抑制了一半的非线性转换过程：只允许频率转换为奇数倍（三倍、五倍、七倍频率等）——不幸的是，最简单且通常最有效的过程，即倍频（也称为二次谐波产生），非常弱。其他研究试图解决这些问题，但一直受到结构脆弱、吸收或需要低温冷却等问题的困扰。

在思考这一挑战时， Nauman博士受到了大闪蝶翅膀鲜艳色彩的启发。 Nauman博士说："这种活力的秘诀是一个巧妙的两部分系统。透明的纳米结构反射蓝光，一层黑色的黑色素位于下方，吸收任何杂散光。这就像黑色天鹅绒上的钻石——黑色的背景使钻石的光芒更加灿烂。大自然告诉我，最好的结果往往来自间接的解决方案。"

Nauman博士提出的间接解决方案是使用近红外波长泵浦激光器，它可以进入过渡金属二硫属化物而不被吸收，并将其与超表面设计配对，以设计1220 nm的共振——激子波长的两倍——以利用能量。这种共振，一种被称为连续体中准束缚态的类型，被设计为纯磁性的——避免了任何会导致辐射损耗的电偶极子组件。这确保了共振具有高Q值——换句话说，泵浦能量被有效地捕获，使其能够建立到与激子在两倍频率（半波长，610 nm）下相互作用的水平，并且可以产生通常很弱的二次谐波辐射。激子和准束缚态共振之间的这种虚拟相互作用是设备性能的核心——而且，关键的是，这是一个研究人员可以按需打破或恢复的链接。

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支持准束缚态共振所需的超表面几何形状包括一组新月形纳米结构阵列，每个都小于光的波长。在非磁性材料中实现这种纯磁性准束缚态共振是罕见的，这里是在单晶过渡金属二硫属化物中实现的。新月形的不对称性赋予了超表面偏振响应——通过改变泵浦偏振来打开或关闭共振——从而打开或关闭虚拟激子链接，调制非线性光强度。可以通过调谐激子共振来施加更多的动态控制，激子共振可以通过材料应变、电场或本实验中使用的温度来移动。变革性超光学系统卓越中心主任Dragomir Neshev教授说："这是一个绝佳的机会，可以利用激子的可调性来实现超材料非线性响应的极端可调性。"

使用二硫化钨的初步实验成功地证明了这一原理，在可见光谱中实现了比单层二硫化钨高两个数量级的增强，比未图案化的块状薄膜高四个数量级的增强。在-100摄氏度和100摄氏度之间改变温度会使激子共振移动约20 nm。这种移动也改变了虚拟连接的强度，从而调制了非线性光强度。来自英国诺丁汉特伦特大学的杰出教授Mohsen Rahmani说，团队合作是这项成就的关键。他说："看到来自全球不同角落的不同科学家团队如何跨境合作以推进人类知识，这令人鼓舞。"

这一成功开启了过渡金属二硫属化物在可见光谱范围内用于二次谐波产生的应用，其效率前所未有。来自意大利布雷西亚大学的合著者Domenico de Ceglia副教授说："挑战传统智慧是令人兴奋的。人们通常期望激子通过吸收来淬灭谐波信号。在这里，我们展示了相反的情况——我们不仅实现了大大增强的二次谐波产生产率，而且更重要的是，我们获得了一个强大的动态调谐手柄。"

Nauman博士说，将这些材料的弱点成功地转化为优势可能会带来许多好处。他说："我们将过渡金属二硫属化物转化为高效的非线性发射器。重要的是，这种策略是通用的——准束缚态共振可以在块状、少层甚至单层过渡金属二硫属化物中激发，使它们成为可调谐和高效非线性光学的强大平台。因为它可以动态调谐，这种方法可以用于今天听起来像科幻小说的技术；例如，光-物质相互作用可以动态调谐的神经接口，可重构的超薄全息AR/VR透镜，或纯粹由光控制的隐形超表面。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.ady2108