光转换效率狂升1万倍！光子芯片新突破

多年来，科学家一直梦想利用原子级厚度的范德华（vdW）材料，制造速度更快、效率更高的光子芯片。这类材料可通过极高精度进行堆叠与调控，开辟出远超传统技术的应用可能。但难题在于，这类材料极其脆弱，用标准纳米加工工艺对其进行塑形向来极为困难。

如今，一个由阿尔托大学科学家在内的国际研究团队攻克了这一长期存在的技术壁垒。他们研发出一种堪称 “纳米级外科手术” 的加工方法，得以在不破坏材料的前提下对这些脆弱材料进行精细雕刻，并在这一过程中实现了创纪录的器件性能。该研究成果发表于《自然・材料》，标志着范德华材料研究迈出重要一步，从被动涂层，迈向未来光子与量子器件的核心有源构建单元。

下一代光子学面临的重大挑战

自石墨烯兴起以来，范德华材料凭借其优异的光学与电学特性受到全球关注。这类材料表面原子级平整，且天然不存在悬挂键，对光子学领域极具吸引力，因为即便是微小缺陷也会造成光散射，降低器件性能。

“尽管潜力巨大，将范德华材料用作结构构建单元仍是一大难题。” 阿尔托大学研究员Xiaoqi Cui表示，“标准加工工艺的破坏性实在太强。”他解释道，聚焦离子束光刻等传统纳米加工手段往往过于剧烈，会破坏晶格结构，或扭曲高效限光所需的器件形貌。

为解决这一问题，研究团队提出了一个简单却极具效力的思路：在对范德华材料进行刻蚀前，先在其表面镀上一层薄薄的铝膜，作为临时保护层。“这层铝膜就像一件微型铠甲。” 研究员Andreas Liapis说，“它能吸收离子束的破坏性冲击，让我们以低于 100 纳米的精度雕刻材料，同时完好保留其晶体品质。”

借助这种带防护的加工方案，团队制备出超平整范德华微盘，一种可捕获光线的微小圆形结构。这些微型微盘能让光反复循环，损耗极低。器件品质因子突破 100 万，意味着每轮循环中仅有约百万分之一的光发生损耗。实际应用中，光可在微盘内循环数百万次才出现明显衰减。“这一性能比以往范德华谐振系统高出三个数量级，是该领域的重大突破。” Zhipei Sun教授表示。

光转换效率提升一万倍

由于光线能被高效束缚在这些结构内，其与材料本身的相互作用大幅增强，显著提升了非线性光学效应，即光从一种颜色或频率转换为另一种的过程。研究团队测试了二次谐波产生这一重要非线性光学过程，观测到转换效率较此前纪录提升了四个数量级，也就是一万倍。

该研究将范德华材料本身的强本征非线性与超高品质光学谐振相结合，扫清了范德华光子学领域最大的障碍之一。这一进展为可重构光子电路、量子光源以及可直接集成在芯片上的高灵敏度光学传感器开辟了新可能。更广泛地说，它证明了那些曾被认为过于脆弱、难以工程化加工的材料，如今可被制造成性能强大的光子器件。