新型超表面光转换效率提高7.2万倍

据最新一期《自然·纳米技术》杂志报道，奥地利格拉茨工业大学、美国哈佛大学和得克萨斯大学奥斯汀分校研究人员开发出一种新型超表面结构，将半导体层与纳米结构结合，使光转换效率较以往材料提高约7.2万倍。这一成果有望推动电信和量子技术发展。

现代光纤通信网络利用光的线性传播特性传递信息。但对于复杂计算、量子技术和量子密码学，以及用于高精度测量的光频率梳等应用而言，仅依靠光的线性传播还不够，需要利用非线性极化，让光子之间能够相互作用并交换信息。

传统上，人们通常使用铌酸锂等晶体结构实现光波的非线性耦合。但这种方法需要较大的材料体积和较高的光能量，这限制了相关器件的微型化和应用。此次研究的起点，是团队开发出的一种特殊半导体材料。他们利用分子束外延技术，制备出纳米尺度的砷化镓和铝镓砷半导体层，其中包含非对称耦合的量子阱。量子阱能够限制电子的运动，使其形成量子化能级。由于量子阱经过非对称设计，电子受到光照后会倾向于向一个方向运动。由此产生的非线性电子振荡，可以让不同光波之间更加高效地发生相互作用。

不过，要充分发挥这种材料的作用，光需要沿着与半导体层平行的方向传播。为解决这一问题，团队在半导体层上方构建了一层超表面。超表面由按照棋盘状图案排列的二氧化钛纳米柱组成，每根纳米柱仅有数百纳米大小。它可以改变光的传播方向，使光沿着半导体层传播，从而充分发挥材料的非线性特性。

实验发现，当光垂直照射器件时，由于几何结构的对称性，光场会相互抵消，几乎无法产生二次谐波。研究人员只需将器件倾斜约0.3度，就能打破这种对称性，使非线性极化得以高效产生。

更高的转换效率意味着未来有望制造尺寸更小、能耗更低的光学器件，例如降低数据中心内部计算机之间信息传输的能耗。这项技术还可能应用于集成光子学以及大规模数据处理等领域。