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研究人员使用原子级材料制造了一种可以改变激光束颜色的装置。他们的微型设备——只有传统颜色转换器的一小部分——会促进产生新型超小型光学芯片，并推进量子光学的发展。
图：由二维材料二硫化钼（MoS2）制成的微小晶体可以有效地改变光的颜色，这有助于研究人员将基于激光的设备缩小到微观尺度。
资料来源：Nicoletta Barolini, Columbia University
激光无处不在。激光用于传输信息并使远程通信和互联网成为可能；他们帮助医生进行手术，帮助工程师制造先进的工具和技术。非线性光学研究员Giulio Cerullo说：“在激光发明后的60多年里，激光彻底改变了我们的生活。”
Cerullo等人在《Nature Photonics》上的发表新的研究，使基于激光工作的设备有望变得更小。
在哥伦比亚大学工程师James Schuck的实验室里，博士生Xinyi Xu和博士后Chiara Trovatello研究了一种叫做二硫化钼（MoS2）的二维材料。他们研究了由厚度不到一微米的MoS2堆叠而成的器件如何有效地转换电信波长的光频率，以产生不同的颜色的激光。MoS2的厚度是人类头发的100倍。
Trovatello说，这项新的研究是朝着取代当今可调谐激光器中使用的标准材料迈出的第一步。“非线性光学目前是一个宏观的世界，但我们想让它微观化，”她说。
激光发出一种特殊的相干光，这意味着光束中的所有光子都具有相同的频率，因此颜色也相同。激光器仅在特定频率下工作，但设备通常需要能够部署不同颜色的激光。例如，绿色激光指示器实际上是由红外激光产生的，红外激光通过宏观材料转换为可见光。研究人员使用非线性光学技术来改变激光的颜色，但常规使用的材料需要相对较厚，才能有效地进行颜色转换。
MoS2是被称为过渡金属二卤化物，是一类新兴材料，已经被广泛研究中，这种材料可以剥离成原子薄层。单层MoS2可以有效地转换光频率，但实际上太薄，无法用于制造器件。同时，更大的MoS2晶体在非颜色转换形式下往往更稳定。为了制造器件，需要MoS2晶体，称为3R-MoS2，该团队与商业2D材料供应商HQ Graphene合作。
基于3R-MoS2，Xu开始剥离不同厚度的样品，以测试它们转换光频率的效率。马上，结果就令人惊叹。Schuck说：“在科学界，很少有人开始一个项目，但结果却比你预期的要好——通常情况恰恰相反。这是一个罕见的神奇案例。”。徐解释说，通常需要特殊的传感器来记录样品产生的光，这需要一些时间。“使用3R-MoS2，我们几乎可以立即看到极大的增强，”他说。值得注意的是，该团队在电信波长记录了这些转换，这是潜在光通信应用的一个关键特征。
在一次扫描过程中，偶然地，Xu专注于晶体的随机边缘，并看到了表明材料内部存在波导模式的条纹。波导模式使不同颜色的光子保持同步，否则这些光子在晶体中以不同的速度移动，并可能用于产生所谓的纠缠光子，这是量子光学应用的关键组件。该团队将他们的设备交给了物理学家Dmitri Basov的实验室，博士后Fabian Mooshammer证实了他们的预感。
目前，用于波导转换和产生纠缠光子的最流行晶体是铌酸锂，它是一种硬而昂贵的材料，需要很大厚度才能实现有用的转换效率。3R-MoS2同样有效，但体积小了100倍，足够灵活，可以与硅光子平台结合，在芯片上创建光学电路。
有了这一研究结果，现实应用的瓶颈是3R-MoS2的大规模生产和器件的高通量结构。通过这项工作，他们希望他们展示了2D材料的前景。
Cerullo说：“我从事非线性光学研究已经超过三十年了。研究通常是渐进式的，在以前的基础上慢慢发展。很少有人做一些完全新的、具有巨大潜力的事情。”。“我有一种感觉，这种新材料可以改变规则。”
[1] Xinyi Xu, Chiara Trovatello, Fabian Mooshammer, Yinming Shao, Shuai Zhang, Kaiyuan Yao, D. N. Basov, Giulio Cerullo, P. James Schuck. Towards compact phase-matched and waveguided nonlinear optics in atomically layered semiconductors. Nature Photonics, 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01053-4
