科技日報記者 張佳欣
據(jù)新一期《自然·光子學》雜志報道，美國麻省理工學院研究團隊利用層狀量子材料開發(fā)出一種全新平臺，通過納米光子學實現(xiàn)對光的精密調控。這一新平臺不僅使光學器件更小、更高效，還首次實現(xiàn)了光學模式的動態(tài)切換（在不同光傳播狀態(tài)之間靈活轉變），解決了納米光子領域長期以來難以兼顧的兩大難題。
傳統(tǒng)納米光子學主要依賴硅、氮化硅或二氧化鈦等材料，構建波導、諧振腔和光子晶體等結構，以引導和限制光傳播。但這些材料存在兩大局限：首先是折射率受限，這是衡量材料與光相互作用強度的指標。傳統(tǒng)材料折射率較低，限制了光的強約束能力，也妨礙了器件的進一步微型化。其次，這些材料一旦加工成型，其光學性質就基本固定，無法在不改變物理結構的情況下重新配置其光響應特性。
為破解這些難題，團隊引入了一種層狀量子材料——硫溴化鉻（CrSBr）。該材料兼具稀有的磁性有序性與強烈的光響應。團隊利用CrSBr的高折射率，僅用7層原子（約6納米厚）就構建出完整的光子晶體結構，尺寸相當于傳統(tǒng)材料的1/10左右。更重要的是，該材料對磁場高度敏感，僅需施加小幅磁場，就可持續(xù)、可逆地切換光在器件中的傳播模式，無須移動部件或改變溫度。
此外，CrSBr內部還能自然形成極化激子，這是一種光與物質混合的準粒子狀態(tài)，具備傳統(tǒng)系統(tǒng)難以實現(xiàn)的非線性與量子光學特性。這種混合態(tài)可以帶來非線性增強、全新量子光傳輸機制等新奇效應。與傳統(tǒng)系統(tǒng)需要外部腔體才能實現(xiàn)極化激子不同，CrSBr本身就能天然支持這一狀態(tài)。
目前實驗在132開爾文（-141℃）低溫下進行。盡管距離常溫應用尚有距離，但該材料已具備在量子模擬、非線性光學等高精尖領域應用的可行性。
