增强二维材料的非线性光学特性

　　两个实验装置

　　哥伦比亚大学的工程师和Max Planck物质结构和动力学理论合作者发现，将激光与晶格振动配对可以增强层状二维材料的非线性光学特性。该研究发表在《自然·通讯》杂志上。最近这篇论文的合著者、哥伦比亚大学工程学博士生Cecilia Chen和她的同事Alexander Gaeta的量子与非线性光子学小组使用六方氮化硼(hBN)。hBN是一种类似于石墨烯的二维材料：它的原子排列成蜂窝状重复图案，可以剥离成具有独特量子性质的薄层。Chen指出，hBN在室温下是稳定的，其组成元素——硼和氮——非常轻。这意味着它们振动非常快。

　　在绝对零度以上的所有材料中都会发生原子振动。这种运动可以量子化为称为声子的准粒子，具有特定的共振;在hBN的情况下，该团队对在41THz下振动的光学声子模式感兴趣，对应于7.3μm的波长，位于电磁光谱的中红外区。虽然中红外波长被认为较短，因此能量较高，但在晶体振动的图片中，它们在大多数激光光学研究中被认为很长且能量很低，其中绝大多数实验和研究是在可见光到近红外范围内进行的，大约在400纳米到2微米之间。

　　当他们将激光系统调谐到对应于7.3μm的hBN频率时，Chen与博士生Jared Ginsberg(现为美国银行的数据科学家)和博士后Mehdi Jadidi(现为量子计算公司PsiQuantum的团队负责人)能够同时一致地驱动hBN晶体的声子和电子，从而有效地从介质中产生新的光学频率，这是非线性光学的一个基本目标。

　　Max Planck研究所Angel Rubio教授领导的理论工作帮助实验团队解释了他们的研究结果。他们使用商用台式中红外激光器，探索了四波混频的声子介导非线性光学过程，以产生接近光学信号偶次谐波的光。他们还观察到，与不激发声子的情况相比，三次谐波产生的次数增加了30倍以上。Chen说：“我们很高兴能证明，用激光驱动来放大自然声子运动可以增强非线性光学效应并产生新的频率。”该团队计划在未来的工作中探索如何利用光来修饰hBN和类似材料。