上海交通大学叶芳伟教授等合作团队:拓扑增强石墨烯纳米带异质结的非线性光学响应

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Citation

Topologically enhanced nonlinear optical response of graphene nanoribbon heterojunctions

Hanying Deng*, Changming Huang, Yingji He, Nicolae C. Panoiu* &Fangwei Ye*

Quantum Frontiers 2, 11 (2023)  

https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00036-y

研究背景

非线性光学效应在物理、生物、化学、医疗、通信等领域已经被广泛应用，并展现出独特的优势。一般地，材料的固有非线性很弱，为了得到可观的非线性效应，往往需要较长的传输距离和较大的材料体积，如厚度为几毫米的倍频晶体到长度达几公里的光纤器件。然而，集成光学的发展要求在纳米尺度等极限空间内得到非线性效应。传统的方法显然已不适用于纳米级光学器件，因此，需要寻找新的机制获得非线性光学响应。

石墨烯是极其优异的非线性纳米材料。研究者研究发现，石墨烯纳米带的拓扑特性与其边缘形貌、结构宽度有关。若将拓扑性质不同的两个石墨烯纳米带拼接而成，便是所谓的石墨烯纳米带异质结，其具有非平庸拓扑效应。拓扑非平庸的石墨烯纳米带异质结将拓扑与非线性光学相结合，为纳米尺度下增强非线性光学效应、研究拓扑与非线性光学的相互作用提供了一个极佳平台。

研究亮点

本文系统研究了石墨烯纳米带异质结的二阶和三阶非线性光学特性，发现拓扑态能够显著增强石墨烯纳米带异质结的非线性光学响应。支持拓扑态的石墨烯纳米带异质结与相同尺寸、拓扑平庸的石墨烯纳米带异质结相比，前者的三阶非线性光学极化率比后者高出两个数量级！此外，石墨烯纳米带异质结的拓扑界面态可使其量子等离激元的共振频率红移。该研究揭示了拓扑态是增强纳米级光学体系的非线性光学响应、在极限空间中凸显非线性效应的一个有效方法。

研究进展

来自上海交通大学叶芳伟教授，伦敦大学学院（UCL） Nicolae C. Panoiu 教授和广东技术师范大学邓寒英副教授合作团队利用严格的量子力学方法，系统地研究了由两条拓扑不同或相同的石墨烯纳米带构成的异质结的二阶和三阶非线性光学特性。该研究表明，相比同尺寸的拓扑平庸的石墨烯纳米带异质结，因拓扑界面态的存在，拓扑非平庸的石墨烯纳米带异质结的二阶和三阶非线性光学极化率分别高出一个和两个数量级。此外，由于受到拓扑态的影响，拓扑非平庸的石墨烯纳米带异质结的光学极化率的共振频率发生显著的红移。该工作表明拓扑态与石墨烯纳米结构的非线性光学响应的增强之间存在着密切联系，为未来纳米级非线性光学器件的设计提供新思路。

图文导读

图1：石墨烯纳米带异质结：(a) =1的9-ZigZag和=0的7-Zigzagʹ 两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑非平庸的异质结，(b)=1 的9-ZigZag 和 =1 的7-Zigzag两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑平庸的异质结；(c) =0 的6-bearded和=1 的4-bearded两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑非平庸的异质结,(d) =1的 6-ZigZag和=1的 4-Zigzag两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑平庸的异质结。

图2：(a) 9/7-Zigzag-8D和 (c) 6/4-Bearded-12D 石墨烯纳米带异质结的本征能谱。(b) 9/7-Zigzag-8D和 (d) 6/4-Bearded-12D石墨烯纳米带异质结界面处的拓扑局域态。图 (a)和 (c) 中箭头所指的红色点为拓扑界面态对应的本征能量。

图3：9/7-Zigzag-8D和 9/7-Zigzag-8S石墨烯纳米带异质结的线性 [(a), (b)]，二阶 [(c), (d)] 和三阶 [(e), (f)] 非线性极化率的实部（绿色线）和虚部（红色线）。图 (a, b), (c, d) 和 (e, f) 中共振峰（图中紫色点所示）对应的波长分别为 (1.698 um, 861 nm), (45.925 um, 3.397 um) 和 (33.513 um, 5.167 um)。

图4：6/4-Bearded-12D和6/4-Zigzag-12S石墨烯纳米带异质结的线性[(a), (b)]，二阶 [(c), (d)] 和三阶 [(e), (f)] 非线性极化率的实部（绿色线）和虚部（红色线）。图 (a, b), (c, d) 和 (e, f)中共振峰（图中紫色点所示）对应的波长分别为 (4.133 um, 731 nm), (8.857 um, 1.467 um) 和 (14.588 um, 2.214 um)。[(g), (h)] 6/4-Bearded-12D和6/4-Zigzag-12S石墨烯纳米带异质结的二次谐波和三次谐波极化率的大小随异质结长度增加的变化。

图5：石墨烯纳米带异质结：(a)=0 7-Zigzagʹ 和=1 5-cove 两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑非平庸的异质结，(b)=1 7-ZigZag和 =1  5-cove两条石墨烯纳米带相连而成的拓扑平庸的异质结。 (c) 7AGNR/5cove-8D和(d) 7AGNR/5cove-8S异质结的电荷密度分布。7AGNR/5cove-8D 和 (d) 7AGNR/5cove-8S石墨烯纳米带异质结的线性 [(e), (f)]，二阶 [(g), (h)] 和三阶 [(i), (j)]非线性极化率的实部（绿色线）和虚部（红色线）。图 (e, f), (g, h)]和 (i, j) 中共振峰（图中紫色点所示）对应的波长分别为(1.378 um, 423 nm), (10.333 um, 5.277 um) 和 (26.105 um, 8.131 um)。

作者简介

第一作者

邓寒英 副教授

广东技术师范大学光电工程学院

主要研究方向

• 石墨烯量子点的非线性光学特性，微纳光子学。

• Email: [e-mail]

通讯作者

叶芳伟 教授

上海交通大学物理与天文学院

主要研究方向

• 微纳光学，非线性光学，重点关注微纳米尺度上的光局域、光传输和光调控。

主要研究成果

• 叶芳伟长期致力于微纳米尺度上的光学结构设计和微纳结构中的光局域、光传输与光调控的研究，发现了光子莫尔晶格中的光局域与局域的平带物理机制、非线性光子莫尔晶格中低功率光孤子的形成、动态莫尔晶格中光束的拓扑运动、非局域非线性光学系统中空间光孤子涌现的新形态等。通过直接建模第一性原理方程发展了研究纳米和亚纳米结构非线性光学特性的算法，发现了突破衍射极限的等离子体格子孤子的存在，精确求解了纳米结构和亚纳米结构（二维材料量子点）的线性和非线性光学特性等。
• 在Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Physical Review Letters等期刊上共发表 SCI 收录的论文100余篇。相关学术成果两度登上英国物理学会《Physics World》的专题报道，入选“中国光学十大进展”等奖项。
• 先后入选“上海市优秀学术带头人计划”、“上海市领军人才计划”等。

• Email:  [e-mail] 

往期回顾

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