石英片上，厚度僅有1至3微米的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統(tǒng)光學(xué)晶體有了100倍至1萬(wàn)倍的提升——這是我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的世界上已知最薄的光學(xué)晶體。4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會(huì)開(kāi)幕式上，這一晶體作為重大成果發(fā)布。
圖為熔融石英上的菱方氮化硼晶體。（受訪者供圖）
光學(xué)晶體是激光技術(shù)的“心臟”。“激光技術(shù)是我們當(dāng)前科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域大放光彩。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開(kāi)輝介紹，激光技術(shù)的突破高度依賴于一種特殊材料——光學(xué)晶體。
集成化、微型化、多功能化是未來(lái)激光器的發(fā)展方向。但傳統(tǒng)光學(xué)晶體很難在有限厚度內(nèi)高效產(chǎn)出激光，因此制備更輕薄的光學(xué)晶體成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研發(fā)的焦點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)家經(jīng)反復(fù)組合嘗試，鎖定輕巧的氮化硼為最優(yōu)選擇。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只是把氮化硼分子一層一層堆疊起來(lái)，當(dāng)激光穿過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生“步調(diào)不一致”即相位失配現(xiàn)象，這將阻礙激光的高效輸出，也就無(wú)法直接作為光學(xué)晶體用于激光器制造。
圖為轉(zhuǎn)角光學(xué)晶體原位加工和檢測(cè)系統(tǒng)。（受訪者供圖）
北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王恩哥院士、凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開(kāi)輝教授和洪浩特聘副研究員等研究人員創(chuàng)造了一種新的晶體設(shè)計(jì)方法：把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度，堆疊而成的光學(xué)晶體就能降低激光穿過(guò)的能耗，高效產(chǎn)出所需的激光。
我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)的晶體設(shè)計(jì)理論與制備方法相結(jié)合，成功使光學(xué)晶體“瘦身”至1至3微米。而傳統(tǒng)光學(xué)晶體厚度要在毫米級(jí)到厘米級(jí)。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)將這一方法歸納為二維材料的界面轉(zhuǎn)角理論。“該理論的應(yīng)用有望讓激光器的尺寸縮小至微米級(jí)。一些過(guò)去無(wú)法制造光學(xué)晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)動(dòng)中再次煥發(fā)生機(jī)。”劉開(kāi)輝對(duì)記者說(shuō)。
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