利用凡得瓦堆疊實現准相位匹配

核心概念

本文展示了一種通過凡得瓦堆疊在二維材料中實現准相位匹配 (QPM) 的新方法，並通過實驗驗證了該方法可以顯著增強二倍頻生成 (SHG) 和自發參數下轉換 (SPDC) 的效率。

摘要

論文概述

本研究論文題為「利用凡得瓦堆疊實現准相位匹配」，發表於自然光子學期刊。該研究提出了一種利用凡得瓦堆疊在二維材料中實現准相位匹配 (QPM) 的新方法，並通過實驗驗證了該方法可以顯著增強二倍頻生成 (SHG) 和自發參數下轉換 (SPDC) 的效率。

研究背景

准相位匹配 (QPM) 是一種廣泛應用於非線性光學中的技術，用於提高頻率轉換過程的效率和穩定性。然而，傳統的 QPM 技術依賴於週期性極化的鐵電晶體，而這些晶體的可用性有限。近年來，二維材料因其優異的光學特性而備受關注，成為實現 QPM 的潛力材料。

研究方法

本研究以過渡金屬硫族化合物 (TMDc) 中的 3R 相二硫化鉬 (3R-MoS2) 為例，展示了如何利用凡得瓦堆疊實現 QPM。3R-MoS2 具有破缺的反演對稱性，使其成為 QPM 的理想候選材料。研究人員通過將多層 3R-MoS2 薄片以特定的方向堆疊在一起，構建了週期性的非線性係數調製結構，從而實現了 QPM。

研究結果

實驗結果表明，通過凡得瓦堆疊實現的 QPM 可以顯著增強 3R-MoS2 中的 SHG 和 SPDC 效率。與非 QPM 結構相比，QPM 結構的 SHG 強度提高了近 4 倍，SPDC 光子對產生率也顯著提高。

研究結論

本研究提出了一種利用凡得瓦堆疊在二維材料中實現 QPM 的新方法，為開發高效、緊湊的非線性光學器件提供了新的思路。該技術在頻率轉換、光學開關和量子通信等領域具有廣泛的應用前景。

統計資料

3R-MoS2 的相干長度 (𝑡𝑐) 約為 572 nm。
在 1550 nm 激光泵浦下，3R-MoS2 的 SHG 轉換效率為 4.64 × 10−6。
3R-MoS2 的損傷閾值功率密度約為 34.82 GW/cm²。
通過凡得瓦堆疊實現的 QPM 可以將 SHG 強度提高近 4 倍。
SPDC 光子對產生率與 SHG 強度成正比。

引述

"This technique of using van der Waals stacking of 3R-MoS2 enables fine-tuning of the phase-matching condition and provides a larger interaction length to realize efficient and tunable nonlinear optical processes, with potential applications in areas such as frequency conversion, optical switching, and quantum communications."
"Our results highlight the potential of fabricating an incredibly small and lightweight van der Waals nonlinear crystal with QPM and a superior SHG to weight ratio, surpassing their bulky 3D counterparts."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Quasi-Phase-Matching Enabled by van der Waals Stacking

by Yilin Tang, ... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00303.pdf

深入探究

除了 3R-MoS2 之外，還有哪些二維材料可以用於實現基於凡得瓦堆疊的 QPM？

除了 3R-MoS2，其他具有破缺反演對稱性的二維材料也可用於實現基於凡得瓦堆疊的准相位匹配 (QPM)，例如：

其他過渡金屬硫族化合物 (TMDs)： 與 MoS2 類似的 TMDs，如 WS2、WSe2、MoSe2 等，也具有非中心對稱的 3R 相，可以通過凡得瓦堆疊實現 QPM。
六方氮化硼 (hBN)： hBN 是一種具有寬帶隙的二維材料，具有良好的光學透明度和高損傷閾值。儘管 hBN 本身不具有二階非線性，但可以通過與其他非線性材料堆疊，利用其光學特性來增強非線性效應，並通過調整堆疊結構實現 QPM。
黑磷 (BP)： 黑磷是一種具有可調控帶隙的二維材料，也表現出顯著的二階非線性。通過控制層數和堆疊方式，可以實現黑磷的 QPM。
非線性材料與二維材料的異質結構： 將具有高二階非線性的材料，如铌酸鋰 (LiNbO3) 或鈮酸鋇 (BaTiO3) 等，與二維材料（如石墨烯、hBN）結合形成異質結構，可以利用二維材料的優異光學特性和易於加工的特性，實現 QPM 增強非線性效應。
需要注意的是，實現高效 QPM 需要材料具有較大的二階非線性係數、合適的相干長度以及可控的層數和堆疊角度。

凡得瓦堆疊中的缺陷和界面效應如何影響 QPM 的效率？

凡得瓦堆疊中的缺陷和界面效應會顯著影響 QPM 的效率，主要體現在以下幾個方面：

散射損耗： 缺陷和界面會導致光散射，降低光在材料中的傳播距離，從而降低非線性轉換效率。
相位失配： 缺陷和界面會改變材料的折射率，導致相位失配，降低 QPM 的效率。
吸收損耗： 缺陷和界面會引入新的能級，增加光的吸收，降低非線性轉換效率。
具體而言：

點缺陷： 點缺陷，如空位、雜質原子等，會造成局部電場的畸變，影響非線性極化率，進而影響 QPM 效率。
邊界缺陷： 二維材料的邊緣通常存在懸掛鍵或缺陷，這些缺陷會導致邊緣處的非線性響應與材料內部不同，影響 QPM 的相位匹配條件。
界面污染： 凡得瓦堆疊過程中，界面處容易吸附雜質，如水分子、氧氣等，這些雜質會影響層間耦合，降低 QPM 效率。
晶格失配： 不同材料之間的晶格失配會導致界面處產生應變，影響材料的能帶結構和非線性響應，降低 QPM 效率。
為提高基於凡得瓦堆疊的 QPM 效率，需要盡可能減少缺陷和界面效應，例如：

採用高品質的二維材料，減少材料本身的缺陷。
優化製備工藝，減少堆疊過程中的污染和缺陷。
通過鈍化或修飾等方法，降低缺陷和界面的影響。

基於凡得瓦堆疊的 QPM 技術如何應用於量子計算和量子信息處理？

基於凡得瓦堆疊的 QPM 技術在量子計算和量子信息處理領域有著廣闊的應用前景，例如：

高效產生糾纏光子對： QPM 可以顯著提高自發參量下轉換 (SPDC) 的效率，從而產生更高亮度的糾纏光子對，為量子計算和量子通信提供資源。
構建集成化量子光源： 凡得瓦堆疊的 QPM 器件可以與其他光學元件集成在芯片上，構建小型化、低功耗的量子光源，推動量子信息處理的集成化和小型化發展。
實現量子邏輯門操作： 通過設計 QPM 結構，可以控制光子之間的相互作用，實現量子邏輯門操作，為構建量子計算機提供新的思路。
量子信息存儲和讀取： 利用 QPM 技術可以將量子信息存儲在材料的非線性響應中，並通過光學方法讀取，為量子信息存儲提供新的解決方案。
具體應用方向包括：

量子計算： 構建基於糾纏光子的量子計算機，實現高效的量子計算。
量子通信： 構建安全的量子通信網絡，實現信息的安全傳輸。
量子傳感： 構建高靈敏度的量子傳感器，應用於生物醫學、環境監測等領域。
總之，基於凡得瓦堆疊的 QPM 技術為量子計算和量子信息處理提供了新的思路和方法，有望推動量子技術的發展和應用。