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复旦课题组在石墨烯研究领域取得新突破

2018-05-22 15:46:04    央广网  参与评论()人

央广网上海5月22日消息(记者傅闻捷 通讯员陈琳)近日,复旦大学物理学系教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。伦敦时间5月21日,研究成果以《石墨烯中无质量狄拉克费米子三阶非线性光学响应的电学调控》(Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene)为题以长文(Article)形式在线发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)。复旦大学物理学系教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。

石墨烯是仅由单个碳原子层组成的蜂窝状材料。由于其独特的晶格与能带结构,石墨烯中的载流子没有静止质量,运动速度大小固定,只能改变方向。它们的行为遵从狄拉克相对论性量子力学方程,故此也称为无质量狄拉克费米子。自发现以来,石墨烯的特殊性质、及其引发的许多新奇有趣的现象一直是前沿科学研究的焦点,石墨烯的非线性效应是其中的重要一环。此前,科学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、光通信、量子信息与计算、生物成像等领域具有巨大的应用潜力。然而,过去的实验报道对石墨烯三阶非线性系数无法形成统一的观点,不同实验结果甚至有着高达6个数量级的差异。

吴施伟等意识到,石墨烯中的三阶非线性响应是由多个量子共振跃迁通道协同竞争形成的整体效应,提出了采用离子凝胶技术制备石墨烯场效应晶体管器件,通过大范围调控石墨烯中的载流子密度和化学势来逐一控制相关量子共振跃迁通道的研究方法。研究人员发现,石墨烯中的化学势会强烈地影响其三阶非线性光学响应,而且不同的三阶非线性效应对化学势的依赖关系完全不同。对于加法类型的三阶非线性效应,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,对于减法类型的三阶非线性效应,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理论计算进一步支持了上述结论。

关键词:上海

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