新型超表面光轉換效率提高7.2萬倍

據最新一期《自然·納米技術》雜志報道，奧地利格拉茨工業大學、美國哈佛大學和得克薩斯大學奧斯汀分校研究人員開發出一種新型超表面結構，將半導體層與納米結構結合，光轉換效率較以往材料提高約7.2萬倍。這一成果有望推動電信和量子技術發展。

現代光纖通信網絡利用光的線性傳播特性傳遞信息。但對于復雜計算、量子技術和量子密碼學，以及用于高精度測量的光頻率梳等應用而言，僅依靠光的線性傳播還不夠，需要利用非線性極化，讓光子之間能夠相互作用并交換信息。

傳統上，人們通常使用鈮酸鋰等晶體結構實現光波的非線性耦合。但這種方法需要較大的材料體積和較高的光能量，這限制了相關器件的微型化和應用。此次研究的起點，是團隊開發出的一種特殊半導體材料。他們利用分子束外延技術，制備出納米尺度的砷化鎵和鋁鎵砷半導體層，其中包含非對稱耦合的量子阱。量子阱能夠限制電子的運動，使其形成量子化能級。由于量子阱經過非對稱設計，電子受到光照后會傾向于向一個方向運動。由此產生的非線性電子振蕩，可以讓不同光波之間更加高效地發生相互作用。

不過，要充分發揮這種材料的作用，光需要沿著與半導體層平行的方向傳播。為解決這一問題，團隊在半導體層上方構建了一層超表面。超表面由按照棋盤狀圖案排列的二氧化鈦納米柱組成，每根納米柱僅有數百納米大小。它可以改變光的傳播方向，使光沿著半導體層傳播，從而充分發揮材料的非線性特性。

實驗發現，當光垂直照射器件時，由于幾何結構的對稱性，光場會相互抵消，幾乎無法產生二次諧波。研究人員只需將器件傾斜約0.3度，就能打破這種對稱性，使非線性極化得以高效產生。

更高的轉換效率意味著未來有望制造尺寸更小、能耗更低的光學器件，例如降低數據中心內部計算機之間信息傳輸的能耗。這項技術還可能應用于集成光子學以及大規模數據處理等領域。