量子材料平台实现光学模式动态切换

【资料图】

据新一期《自然·光子学》杂志报道，美国麻省理工学院研究团队利用层状量子材料开发出一种全新平台，通过纳米光子学实现对光的精密调控。这一新平台不仅使光学器件更小、更高效，还首次实现了光学模式的动态切换（在不同光传播状态之间灵活转变），解决了纳米光子领域长期以来难以兼顾的两大难题。

  传统纳米光子学主要依赖硅、氮化硅或二氧化钛等材料，构建波导、谐振腔和光子晶体等结构，以引导和限制光传播。但这些材料存在两大局限：首先是折射率受限，这是衡量材料与光相互作用强度的指标。传统材料折射率较低，限制了光的强约束能力，也妨碍了器件的进一步微型化。其次，这些材料一旦加工成型，其光学性质就基本固定，无法在不改变物理结构的情况下重新配置其光响应特性。

  为破解这些难题，团队引入了一种层状量子材料——硫溴化铬（CrSBr）。该材料兼具稀有的磁性有序性与强烈的光响应。团队利用CrSBr的高折射率，仅用7层原子（约6纳米厚）就构建出完整的光子晶体结构，尺寸相当于传统材料的1/10左右。更重要的是，该材料对磁场高度敏感，仅需施加小幅磁场，就可持续、可逆地切换光在器件中的传播模式，无须移动部件或改变温度。

  此外，CrSBr内部还能自然形成极化激子，这是一种光与物质混合的准粒子状态，具备传统系统难以实现的非线性与量子光学特性。这种混合态可以带来非线性增强、全新量子光传输机制等新奇效应。与传统系统需要外部腔体才能实现极化激子不同，CrSBr本身就能天然支持这一状态。

  目前实验在132开尔文（-141℃）低温下进行。尽管距离常温应用尚有距离，但该材料已具备在量子模拟、非线性光学等高精尖领域应用的可行性。

标签：