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1萬倍的提升——這是我國科學(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)村論壇年會開幕式上，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)測等領(lǐng)域大放光彩。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開輝介紹，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)晶體成為各國科學(xué)家競相研發(fā)的焦點。
中國科學(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。然而實驗發(fā)現(xiàn)，只是把氮化硼分子一層一層堆疊起來，當(dāng)激光穿過時會發(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)計方法：把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動特定角度，堆疊而成的光學(xué)晶體就能降低激光穿過的能耗，高效產(chǎn)出所需的激光。
我國科學(xué)家首創(chuàng)的晶體設(shè)計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到厘米級。
研發(fā)團(tuán)隊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。一些過去無法制造光學(xué)晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)動中再次煥發(fā)生機(jī)。”劉開輝對記者說。
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