新方法在芯片上实现光循环传播数百万次

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

芬兰阿尔托大学联合多国研究团队开发了一种类似“纳米级外科手术”的方法，为脆弱的范德华材料打造了一层“纳米铠甲”，可在不破坏材料的情况下对其进行加工，在芯片上实现光可循环传播数百万次的创纪录表现。这项发表在最新一期《自然·材料》杂志上的研究，攻克了实现更快、更高效光子芯片的一大难题，标志着范德华材料的重要进展，并推动其由辅助性界面材料，向承担核心功能的器件结构材料转变。

自石墨烯兴起以来，范德华材料因其优异的光学和电子性质而备受关注。这类材料通常由原子级薄层构成，层与层之间通过较弱的范德华力结合，可像“积木”一样自由堆叠和调控，展现出优异性能。同时，其表面在原子尺度上极为平整，且天然不存在悬挂键，有助于减少光在传播过程中的散射损耗，因此被视为下一代光子芯片的重要基础。

然而，由于结构极其脆弱，范德华材料在加工过程中极易受到损伤。传统纳米制造技术，如聚焦离子束刻蚀或电子束加工，往往会破坏其晶体结构，甚至导致材料性能显著下降。这一问题长期制约着其从“实验材料”走向“功能器件”的转变。

为破解这一难题，团队在对材料进行纳米加工之前，先在其表面覆盖一层超薄铝膜作为临时保护层。这层铝膜就像一套微观“铠甲”，能抵御离子束的破坏性冲击，在保持晶体质量的同时，实现亚100纳米精度的加工。

借助这一方法，团队制备出高质量的范德华微盘谐振器。这种微型圆盘结构可有效“困住”光，使其在极小空间内持续循环传播。实验结果显示，该器件的品质因子超过100万，意味着光在每次循环中的能量损耗仅为百万分之一。换言之，光可以在其中往返数百万次而不明显衰减。

这一性能比此前范德华谐振系统高出三个数量级，是该领域的一项重大突破。更重要的是，光在结构中的长时间停留，使其与材料之间的相互作用显著增强。在二次谐波产生实验中，研究团队观察到转换效率提升约4个数量级，即约1万倍，显示出极强的光调控能力。

这一成果不仅为范德华材料在光子学中的应用扫清关键障碍，也为研究片上可重构光子电路、量子光源及高灵敏传感器提供了新思路，显示出其向核心功能器件转变的应用潜力。

总编辑圈点

范德华材料如同原子级别的超薄积木，是制作更小、更快光学芯片的重要基础。但令人头疼的是，它太脆弱了，传统微纳加工技术一碰就坏。此次，科研人员发明了一种“纳米铠甲”技术，铠甲可以成为材料的临时保护层。这样一来，范德华材料能够被精密加工，从而制作出性能惊人的微型光学器件。新方法解决了将革命性材料从实验室样品转化为实际芯片器件的核心制造难题，未来，范德华材料有望在光学应用领域发挥更大作用。