光子应用利用光与物质相互作用的力量来产生各种有趣的现象。这推动了通信、医学和光谱学等领域的重大进步，也用于激光和量子技术。

现在，查尔姆斯理工大学物理系的研究人员成功地将两个主要研究领域——非线性和高折射率纳米光子学——结合在一个圆盘状纳米物体中。

“我们对所取得的成果感到惊讶和高兴。这种圆盘状结构比光的波长小得多，但它却是一种非常高效的光频率转换器。它的效率也是同类非结构化材料的 10,000 倍，甚至更高，这证明了纳米结构是提高效率的方法，”发表在《自然光子学》杂志上的这项研究成果的论文的主要作者 Georgii Zograf 博士说。

简单来说，它是材料和光学共振的结合，具有通过晶体非线性转换光频率的能力，研究人员已将其结合到纳米盘中。在制造过程中，他们使用了过渡金属二硫化物 (TMD)，即二硫化钼，这是一种原子级薄的材料，在室温下具有出色的光学特性。然而，这种材料的问题在于，由于其晶格对称性约束，很难在不失去非线性特性的情况下堆叠。

Zograf 表示：“我们首次制造出一种特殊堆叠的二硫化钼纳米盘，它保留了体积中破缺的逆对称性，因此保持了光学非线性。这种纳米盘可以保持每个单层的非线性光学特性。这意味着材料的效果既得到了保持，又得到了增强。”

该材料具有高折射率，这意味着光可以在这种介质中更有效地压缩。此外，该材料的优点是可以在任何基底上转移，而无需将原子晶格与底层材料相匹配。

纳米结构在局域化电磁场和产生双频光方面也非常有效，这种效应称为二次谐波产生。例如，这是一种所谓的非线性光学现象，类似于高能脉冲激光系统中使用的和频和差频产生效应。

因此，该纳米盘在单一紧凑的结构中结合了极端非线性和高折射率。

光学研究向前迈出的一大步

Zograf 表示：“我们提出的材料和设计是最先进的，因为它具有极高的固有非线性光学特性和显著的线性光学特性——可见光范围内的折射率为 4.5。这两个特性使我们的研究如此新颖，甚至对行业来说也具有潜在的吸引力。”

“这确实是一个里程碑，特别是由于磁盘的尺寸非常小。二次谐波产生和其他非线性每天都用于激光器，但利用它们的平台通常是厘米级的。相比之下，我们的物体的尺度约为 50 纳米，因此结构厚度大约是其 10 万倍，”研究负责人 Timur Shegai 教授说。

研究人员认为，纳米盘的工作将推动光子学研究的发展。从长远来看，TMD 材料极其紧凑的尺寸，加上其独特的性能，可能用于先进的光学和光子应用。例如，这些结构可以集成到各种光学电路中，或用于光子学的小型化。

“我们相信它可以为未来各种类型的非线性纳米光子学实验做出贡献，包括量子和经典实验。通过对这种独特材料进行纳米结构化，我们可以大大减小光学设备的尺寸并提高其效率，例如纳米磁盘阵列和超表面。

“这些创新可用于非线性光学和纠缠光子对的生成。这是第一步，但却非常重要。我们才刚刚开始，”Shegai 说。

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