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20
2026
-
04
光子学新方法实现片上光捕获百万周期
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多年来，科学家一直梦想利用原子级薄层的范德华材料制造更快、更高效的光子芯片。这类材料能以极高精度进行堆叠和调控，开辟远超传统技术的可能性。但挑战在于它们极度脆弱，标准纳米加工工具难以塑造其形态——这已是业内公认的难题。如今，包括阿尔托大学研究人员在内的国际团队突破了这一长期瓶颈。通过开发可称为"纳米级手术"的方法，他们成功雕琢这些精密材料而不造成破坏，并在此过程中实现了创纪录的性能。
这项发表于《自然·材料》的研究，标志着范德华材料从被动涂层向未来光子与量子器件活性构建块的重要转变。
世界上最薄的阿尔托标志
下一代光子学的主要挑战
自石墨烯崛起以来，范德华材料凭借卓越的光电特性引发全球关注。其表面原子级光滑且天然无悬挂键，这对光子学极具吸引力——在该领域，微小缺陷都会散射光并降低性能。"尽管潜力巨大，但将范德华材料用作结构构建块始终是重大挑战，"阿尔托大学研究员崔晓琪表示，"标准制造方法过于粗暴。"他解释，聚焦离子束光刻等传统纳米加工方法往往过于激烈，可能破坏晶格或扭曲高效捕获光所需的结构。
解决方案：铝质"微型铠甲"
为解决此问题，研究人员引入简洁而强大的创新方案：在雕琢范德华材料前，先覆盖薄铝层作为临时保护盾。"这层铝如同微型铠甲，"研究员安德烈亚斯·利亚皮斯说，"它能吸收离子束的破坏性冲击，让我们以亚100纳米精度雕刻材料，同时保持晶体质量。"
百万品质因数的突破
采用这种屏蔽式制造方法，团队制作出超光滑的范德华微盘——一种可捕获光的微型圆形结构。这些微盘使光以极低损耗反复循环，器件品质因数突破100万，意味着每循环仅损失百万分之一的光能。实际应用中，光可在显著衰减前于微盘内循环数百万次。"这一性能较现有范德华谐振系统提升三个数量级，代表该领域的重大飞跃。"孙志培教授表示。
万倍光转换效率提升
由于光被高效束缚在结构内，与材料本身的相互作用显著增强，极大提升了非线性光学效应（即将光从一种颜色/频率转换为另一种）。当研究人员测试重要的非线性光学过程——二次谐波产生时，观察到效率较此前纪录提升了四个数量级（即一万倍）。
通过将范德华材料的强本征非线性与超高品质光学共振相结合，该研究清除了范德华光子学领域的最大障碍之一。这项进展为可重构光子电路、量子光源及直接集成于芯片的高灵敏光学传感器开辟了新机遇。更广泛而言，它证明了曾经被认为过于脆弱而无法加工的材料，如今可被转化为强大的光子器件。
来源：phys
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