近日，Nature子刊《Nature Nanotechnology》邀請北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、段嘉華教授撰寫發(fā)表評述性論文，文章題為“Tracking nonlinear conversion of light in van der Waals waveguides”,評述了哥倫比亞大學(xué)Milan Delor教授團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology上發(fā)表的論文[DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01849-1]，介紹了遠(yuǎn)場頻閃散射顯微技術(shù)在非線性光學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。
因其加工制備不受晶格匹配條件限制且與硅基光電子集成技術(shù)高度相容，范德瓦爾斯材料在非線性光學(xué)器件集成制備方面具有極大的應(yīng)用潛力。在非線性光學(xué)過程中，高效能量轉(zhuǎn)換的前提是滿足相位匹配。由于其二維屬性，范德瓦爾斯材料光學(xué)參數(shù)的定量測量難度較大，因此確定范德瓦爾斯波導(dǎo)中的相位匹配條件一直是困擾學(xué)界的一個(gè)挑戰(zhàn)。以MoS2為例，此前人們通常用長波長光照射MoS2薄層的某一條邊界，光場以波導(dǎo)模式在MoS2薄層中傳播并在另外一條邊界處散射出低波長光（非線性效應(yīng)），基于傳統(tǒng)遠(yuǎn)場顯微鏡可以觀測到二次諧波的產(chǎn)生。然而，這些波導(dǎo)模式超出了遠(yuǎn)場光學(xué)可探測的波矢范圍，無法測量其時(shí)空動(dòng)力學(xué)過程。針對這一現(xiàn)狀，哥倫比亞大學(xué)Milan Delor教授團(tuán)隊(duì)基于遠(yuǎn)場頻閃散射顯微技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了MoS2薄層中基礎(chǔ)光場和二次諧波光場的超快實(shí)空間成像。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)光場和二次諧波光場會(huì)誘導(dǎo)光譜移動(dòng)，從而通過共振峰紅移或藍(lán)移實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式的遠(yuǎn)場成像，其空間和時(shí)間分辨率可以達(dá)到亞微米級(jí)和200fs。基于此，研究人員量化了MoS2薄片中基礎(chǔ)光場和二次諧波光場的傳播速度，在材料光學(xué)性質(zhì)未知的情況下測量到11階波導(dǎo)模式可以滿足相位匹配條件，即基礎(chǔ)光場和二次諧波光場傳播速度一致。這一工作表明遠(yuǎn)場頻閃散射顯微技術(shù)無需知道材料光學(xué)特性即可確定相位匹配條件，為優(yōu)化二維波導(dǎo)中的非線性轉(zhuǎn)換提供了絕佳的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對未來構(gòu)建片上集成的非線性光學(xué)器件至關(guān)重要。
圖1
圖1展示了遠(yuǎn)場頻閃散射顯微技術(shù)的成像原理。圖a-b表明基礎(chǔ)光場和二次諧波光場分別會(huì)引起光譜的藍(lán)移和紅移，從而可以基于遠(yuǎn)場光學(xué)測量到波導(dǎo)模式的時(shí)空動(dòng)力學(xué)過程。圖c-d分別是基礎(chǔ)光場和二次諧波光場傳播過程的實(shí)空間成像。
此外，Nature子刊《Nature Materials》邀請北京理工大學(xué)物理學(xué)院段嘉華教授撰寫發(fā)表評述性論文，文章題為“Magnetic order as a tuning knob for Coulomb correlation”，評述了哥倫比亞大學(xué)Dimitri Basov院士團(tuán)隊(duì)和雷根斯堡大學(xué)R. Huber教授團(tuán)隊(duì)在Nature Materials發(fā)表的背靠背論文[Nature Materials 24, 384 (2025); Nature Materials 24, 391 (2025)]，介紹了二維反鐵磁材料中庫倫相互作用調(diào)控研究的重要進(jìn)展。研究表明二維CrSBr材料中的A類反鐵磁序會(huì)阻礙電子-空穴對的層間躍遷，從而導(dǎo)致一種新的具有一維量子限域的光激發(fā)態(tài)：磁性表面激子。這一發(fā)現(xiàn)有助于理解二維磁性材料中的多體物理效應(yīng)，而反鐵磁序帶來的限域效應(yīng)將為納米尺度上能量傳輸調(diào)控提供新的可能性。
圖2
圖2展示了磁序?qū)ΧS磁鐵中電子-空穴對的調(diào)制作用。圖a為二維半導(dǎo)體磁性材料CrSBr的晶體結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出其為A類反鐵磁鐵，即層內(nèi)鐵磁性和層間反鐵磁性。圖b和圖c分別展示了A類反鐵磁性和順磁性時(shí)CrSBr中的電子-空穴對層間相互作用，可以看出A類反鐵磁序會(huì)屏蔽激子層間相互作用。
