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厚度僅1至3微米，我國(guó)科學(xué)家發(fā)明出世界上已知最薄光學(xué)晶體
2024年04月26日 16:08:16
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石英片上，厚度僅有1至3微米的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統(tǒng)光學(xué)晶體有了100倍至1萬(wàn)倍的提升——這是我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的世界上已知最薄的光學(xué)晶體。
【化工儀器網(wǎng) 時(shí)事熱點(diǎn)】材料研究是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間相互關(guān)系的學(xué)科，為各種材料設(shè)計(jì)、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)。材料的發(fā)展與各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)，材料的進(jìn)展具有重要的意義。
石英片上，厚度僅有1至3微米的轉(zhuǎn)角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統(tǒng)光學(xué)晶體有了100倍至1萬(wàn)倍的提升——這是我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的世界上已知最薄的光學(xué)晶體。4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會(huì)開幕式上，這一晶體作為重大成果發(fā)布。
光學(xué)晶體是激光技術(shù)的“心臟”。激光技術(shù)是我們當(dāng)前科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域大放光彩。北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開輝介紹，激光技術(shù)的突破高度依賴于一種特殊材料——光學(xué)晶體。
集成化、微型化、多功能化是未來(lái)激光器的發(fā)展方向。但傳統(tǒng)光學(xué)晶體很難在有限厚度內(nèi)高效產(chǎn)出激光，因此制備更輕薄的光學(xué)晶體成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研發(fā)的焦點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)家經(jīng)反復(fù)組合嘗試，鎖定輕巧的氮化硼這一材料，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只是把氮化硼分子一層一層堆疊起來(lái)，當(dāng)激光穿過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生“步調(diào)不一致”即相位失配現(xiàn)象，這將阻礙激光的高效輸出，也就無(wú)法直接作為光學(xué)晶體用于激光器制造。
北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王恩哥院士、凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開輝教授和洪浩特聘副研究員等研究人員創(chuàng)造了一種新的晶體設(shè)計(jì)方法：把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度，堆疊而成的光學(xué)晶體就能降低激光穿過(guò)的能耗，高效產(chǎn)出所需的激光。
我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)的晶體設(shè)計(jì)理論與制備方法相結(jié)合，成功使光學(xué)晶體“瘦身”至1至3微米。而傳統(tǒng)光學(xué)晶體厚度要在毫米級(jí)到厘米級(jí)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將這一方法歸納為二維材料的界面轉(zhuǎn)角理論。“該理論的應(yīng)用有望讓激光器的尺寸縮小至微米級(jí)。一些過(guò)去無(wú)法制造光學(xué)晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉(zhuǎn)動(dòng)中再次煥發(fā)生機(jī)。”劉開輝介紹說(shuō)。
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