阿尔托团队实现芯片上光捕获百万周期

阿尔托大学的研究人员开发出一种制造技术，使原子级薄层材料能够在芯片上将光困住数百万个周期。研究人员表示，这一成果比此前的性能高出三个数量级。相关研究于4月13日发表在《自然·材料》期刊上，由一支国际团队共同完成，解决了基于范德华材料构建光子芯片领域长期以来最难攻克的难题之一。

范德华材料——与石墨烯同族的超薄层状晶体——因其原子级光滑的表面能将光损耗降至最低，在光子学领域备受关注。然而，聚焦离子束光刻等标准纳米加工工具往往会破坏其精细的晶体结构。阿尔托大学新闻

阿尔托大学主导的研究团队找到了解决方案：在对材料进行刻蚀之前，先在其表面涂覆一层薄薄的铝。研究人员安德烈亚斯·利亚皮斯表示：“这层铝就像一套微观盔甲，能够吸收离子束的破坏性冲击，使我们在保全晶体质量的同时，以低于100纳米的精度对材料进行精细雕刻。”

借助这一屏蔽方法，研究人员制造出了称为“微盘”的微型圆形结构，能够以极低的损耗捕获光线。这些器件的品质因子超过百万，意味着每个周期内光的损耗仅为百万分之一。从实际效果来看，光在微盘内部可以循环传播数百万次后才逐渐消散。阿尔托大学新闻

由于光被极为有效地限制在材料中，其与材料的相互作用大幅增强，从而显著提升了非线性光学效应。研究团队对二次谐波产生进行了测试——这是一种将光从一种频率转换为另一种频率的过程——结果测得效率比此前的记录提升了四个数量级，即10,000倍。

“这一成果比此前的范德华共振系统高出三个数量级，是该领域的重大突破，”阿尔托大学光子学研究组负责人孙志培教授表示。阿尔托大学新闻

这一进展为可重构光子电路、量子光源以及直接集成于芯片上的高灵敏度光学传感器开辟了新路径，同时也证明了那些曾经被认为过于脆弱、难以加工的材料，如今完全可以作为下一代光子器件的基础构建模块。阿尔托大学新闻