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刷新世界紀錄！薄如蟬翼的光學晶體能效提升百倍以上
在石英片上，厚度僅有1至3微米的轉角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統光學晶體提升了100倍至1萬倍。在4月25日舉行的2024中關村論壇年會開幕式重大成果發布環節，這款世界上已知最薄的光學晶體被列為十大科技成果之一。
熔融石英上的菱方氮化硼晶體
激光技術自被科學家發明以來，已經走過了60余年的發展歷程。“激光技術是我們當下科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監測等領域，激光技術都在大放光彩。”北京大學物理學院教授劉開輝表示，激光技術的突破，高度依賴于一種特殊材料——光學晶體。激光頻率轉換、脈沖壓縮、信息處理等功能的實現，都離不開光學晶體，“可以說，光學晶體是激光技術的‘心臟’。”
如果仔細“解剖”一臺激光器，能量從輸入儀器到輸出所需的激光，共需要經歷3個環節。電能進入儀器激發產生的種子光源，分別通過特定激光晶體、光學晶體，在諧振腔內“折返跑”形成共振，最終產出各類不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未來激光技術發展的核心方向之一，但傳統的光學晶體很難在有限厚度內高效產出激光。瞄準制備更輕薄的光學晶體這一目標，中國科學院院士王恩哥與劉開輝一起，帶領團隊展開了長達10余年的攻關。
他們的原材料就比別人更輕，硼、碳、氮等輕元素的相對分子質量較小，經過反復組合嘗試，輕巧的氮化硼成了最優選。用其制備出的菱方氮化硼材料單層厚度為0.34納米，僅相當于常人頭發絲直徑的十萬分之一，部分性能卻能與傳統厘米級的光學晶體材料相媲美。
不過，單層的氮化硼分子無法被作為光學晶體用于激光器制造。“我們要讓它長大，并沿著特定方向變厚。”劉開輝說。然而實驗發現，如果只是簡單把一層層的氮化硼分子像疊積木一樣堆疊起來，激光穿過時會“步調不一致”，即出現相位失配現象，導致激光無法成功、高效輸出。
在傳統的晶體研究體系中，這一現象的出現，幾乎等于宣告了這種材料的失敗，只能更換新材料重新研發。但研發團隊沒有就此放棄，通過復雜的理論推導，他們發現了一種新的晶體設計方法——當把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉動特定的角度，堆疊形成的光學晶體就能減少激光穿過的能量“內耗”，高效產出所需的激光。
“我們把這個規律總結為二維材料的界面轉角理論。這是自激光技術發明以來，光學晶體理論的又一個重大原創突破。”劉開輝感慨，全新的晶體設計理論與制備方法相結合，讓光學晶體成功“瘦身”，傳統光學晶體厚度在毫米級到厘米級，而轉角氮化硼光學晶體的厚度只有1至3微米。該理論的應用，有望在未來讓激光器的尺寸縮小到毫米甚至微米級。很多曾經被認為無法制造光學晶體的材料，也可能在材料堆疊角度的轉動中再次煥發生機。
在懷柔科學城，北京大學與北京市共建的輕元素量子材料交叉平臺為光學晶體提供了更大的生長空間。“實驗室做出的晶體直徑最多只有五六厘米，要實現激光技術的產業化，就得做出更大尺寸的晶體。”劉開輝說，目前，交叉平臺正在進行生產裝備調試，預計未來，直徑數十厘米的光學晶體將在這里蓬勃生長。
“光學晶體是激光技術發展的基石，誰掌握了光學晶體的設計理論和制備技術，誰就掌握了激光技術的未來。”王恩哥表示，超薄、高能效的轉角氮化硼光學晶體，為新一代激光技術奠定了理論和材料基礎。其優異的可集成性和全新的功能，未來有望在量子光源、量子通信、光子芯片、人工智能等領域實現新的應用突破。
（記者 劉蘇雅）
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- 責任編輯: 房佶宜
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