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            复旦消息文化网消息综合消息

            物理学系吴施伟课题组
            在石墨烯三阶非线性效应的电学调控和机理研究方面获得新打破

            来源:物理学系来源:澳门太阳城app下载 宣布光阴: 2019-07-15

            近日,物理学系传授吴施伟课题组实现石墨烯中三阶非线性效应的电学调控并揭示其机理。伦敦光阴5月21日,研究效果以《石墨烯中无品德狄拉克费米子三阶非线性光学相应的电学调控》(Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene)为题以长文(Article)情势在线发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)。物理学系传授刘韡韬为本文的合作通讯作者,课题组博士生江涛、黄迪为本文的共同第一作者。

            a:单层石墨烯的场效应晶体管电光器件示用意,此中离子凝胶作为栅极资料。

            b:石墨烯器件的电学输运曲线(黑色)和化学势随栅极电压之间的相干(赤色)。

            c、d:石墨烯中加法型四波混频信号SFM(c)与减法型四波混频信号DFM(d)随化学势的变更。

            石墨烯是仅由单个碳原子层构成的蜂窝状资料。因为其独特的晶格与能带布局,石墨烯中的载流子没有静止品德,运动速率大小固定,只能改变偏向。它咱们的行为遵从狄拉克相对论性量子力学方程,故此也称为无品德狄拉克费米子。自发现以来,石墨烯的特别性质、及其引发的很多新奇有趣的现象不停是前沿迷信研究的核心,石墨烯的非线性效应是此中的重要一环。此前,迷信界已注意到石墨烯强烈的三阶非线性效应,这使石墨烯在微纳光子学、激光产业、光通讯、量子信息与计算、生物成像等领域具有弘大的应用潜力。然而,曩昔的试验报导对石墨烯三阶非线性系数无法构成同一的概念,分歧试验结果甚至有着高达6个数目级的差异。

            吴施伟等意识到,石墨烯中的三阶非线性相应是由多个量子共振跃迁通道协同竞争构成的全体效应,提出了采纳离子凝胶技能制备石墨烯场效应晶体管器件,颠末过程大规模调控石墨烯中的载流子密度和化学势来逐一节制相干量子共振跃迁通道的研究办法。研究职员发现,石墨烯中的化学势会强烈地影响其三阶非线性光学相应,而且分歧的三阶非线性效应对化学势的依赖相干完全分歧。对付加法范例的三阶非线性效应,如三次谐波(Third Harmonic Generation, THG)和加法型四波混频(Sum-Frequency Mixing,SFM),当调高化学势关断单光子、双光子共振通道后,三阶非线性效应反而会极大地增强(>30倍);与此相反,对付减法范例的三阶非线性效应,如减法型四波混频(Difference-Frequency Mixing,DFM)和光学科尔效应(Optical Kerr effect),同样对单光子、双光子通道的关断反而会使得三阶非线性效应的强度出现剧烈下降,对石墨烯非线性光学系数的微观量子实践计算进一步支撑了上述结论。

            吴施伟解释道:“这种分歧量子共振跃迁通道之间的干涉效应,类似于众所周知的《三个和尚》的故事。在石墨烯低掺杂的情形下,‘石墨烯加法三阶非线性效应’这座庙里,有互相拆台的三个和尚A、B和C,三小我不只不合作挑水,反而还互相推脱偷懒,结果都没水喝(三阶非线性效应很弱);直到有一天,和尚A外出云游了(调高掺杂浓度),三个和尚之间的僵持被打破了,剩下来的两个和尚尽管还是互相不服气,但是和尚C能说会道,压服了和尚B一块挑水喝(三阶非线性效应增强);后来和尚B也外出云游了(进一步调高掺杂浓度),和尚C乐得清静,自己一小我担水自己喝(三阶非线性效应进一步增强)。有趣的是,在‘石墨烯减法三阶非线性效应’这座庙里的三个和尚D、E和F却完全是另外一种环境,这三人感情很好,都争着去担水,因此完全不愁水喝(三阶非线性效应很强),但是后来和尚D和E持续下山化缘了(调高掺杂浓度),因此担水能力反而下降了(三阶非线性效应减弱)。概括地说,石墨烯三阶非线性效应的量子共振跃迁通道之间存在竞争/合作的机制,跟着调节化学势,主导竞争与合作的力气会此消彼长,从而最终导致了研究效果中观察到的有趣现象。”

            研究团队揭示了跃迁通道间的干涉效应在石墨烯非线性光学效应中的主导感化,澄清了之前国内上分歧课题组在三阶非线性光学系数上分歧的来源,而且指出了颠末过程化学势来大规模调控石墨烯非线性光学效应的途径。与此同时,本研究工作制备出了国内上首个基于石墨烯三阶非线性光学效应的电光器件,电学的调控比可达几个数目级。鉴于比年来石墨烯在大面积低本钱生长制备方面的严重打破,这一电光调控机制有望为石墨烯产业供给一种杀手锏级别的高端应用。

            本研究工作获得了自然迷信基金委、科技部严重研究计划和重点研发专项计划、上海市科委和复旦大学等经费的支撑。加拿大多伦多大学传授John Sipe和长春光机所副研究员程晋罗供给了实践支撑。高品德石墨烯样品来自中国迷信技能大学传授曾长淦课题组和北京大学研究员刘开辉课题组。合作者还包含复旦大学特聘传授沈元壤,物理学系传授资剑、青年研究员石磊等。

            (封面制图:王木木)

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