近日，北京理工大學(xué)科研團(tuán)隊在納米結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Artificially Engineered Nonlinear Circular Dichroism with Chiral Nanoscrolling of 2D Materials”為題在國際頂級期刊《Nano Letters》發(fā)表（DOI:10.1021/acs.nanolett.5c01780）。這一研究成果首次在MoS2納米卷中實現(xiàn)手性非線性光學(xué)效應(yīng)，在緊湊的非線性光源和調(diào)制器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，預(yù)示著先進(jìn)光子應(yīng)用的新時代。北京理工大學(xué)集成電路學(xué)院王業(yè)亮教授，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃元教授，戴贇贇教授，信陽師范學(xué)院物理電子工程學(xué)院葛力新教授為本論文共同通訊作者，博士研究生薛統(tǒng)統(tǒng)為第一作者。

圖1 MoS2納米卷的結(jié)構(gòu)

在線性光學(xué)中，圓二色性(Circular Dichroism，簡稱CD)是指手性材料對左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）吸收強度具有差異。該現(xiàn)象常用于生物分子的手性結(jié)構(gòu)探測，納米光學(xué)功能器件等領(lǐng)域。在非線性光學(xué)過程中（比如 SHG、三次諧波 THG 等），如果手性材料對左旋和右旋圓偏振光的非線性響應(yīng)（如 SHG 信號強度）不同，就表現(xiàn)出非線性圓二色性（SHG-CD）。

圖2 MoS2納米卷的SHG和非線性光學(xué)手性

圖3 MoS2納米卷的SHG-CD

圖4 MoS2納米卷的非線性CD的人工工程

該研究基于二維過渡金屬硫化物（TMDs）的納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了非線性SHG-CD的增強與調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單層TMDs卷曲成一維的納米卷后，非線性二次諧波SHG的圓二色性實現(xiàn)了明顯增強, CD值高達(dá)0.8。

圖5 Mie共振誘導(dǎo)MoS2納米卷的SHG增強

研究團(tuán)隊在MoS2納米卷中觀察到了強烈的SHG-CD，這歸因于其對稱性和手性的降低。與雙層扭曲的二維材料系統(tǒng)相比， MoS2納米卷的結(jié)構(gòu)手性產(chǎn)生了更明顯的SHG-CD。該研究了全面分析了卷軸對SHG-CD的影響，揭示了納米卷在不同手性角度下的不同SHG強度。這種一維TMD手性平臺有望在緊湊的手性依賴光源中實現(xiàn)新功能，有望徹底改變非線性光學(xué)領(lǐng)域的操縱。

此外，由于結(jié)構(gòu)中的Mie共振散射，納米結(jié)構(gòu)中的局域電磁場可將SHG強度提升至單層材料的100倍。

綜上所述，該工作研究了MoS2納米卷的非線性光學(xué)特性。通過改變納米卷的手性角度實現(xiàn)了SHG-CD的可調(diào)性，并通過Mie共振理論對納米卷SHG的增強效應(yīng)做出了解釋。該研究對非線性CD的發(fā)現(xiàn)有望擴(kuò)展到由其他2D材料組成的納米卷體系，使這些材料有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多的應(yīng)用，拓寬了先進(jìn)光子器件和系統(tǒng)的發(fā)展前景。

論文詳情：TongtongXue, XuHan, XiangyuLiu, JinghanZhao, JiahaoYan, YingshanMa, NingyiCai, XinyueWang, ShishengLi, LixinGe,* ZhipeiSun, YuanHuang*, YunyunDai*,and YeliangWang*，Nano Lett., 25, 8399 (2025).

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01780