量子材料平台实现光学模式动态切换

近年来，量子材料平台在光学模式动态切换领域取得了显著进展，通过结合新型量子材料与先进光学操控技术，实现了光传播状态的灵活调控。以下是几项代表性研究成果及技术突破： 一、室温全光非易失操控：电荷密度波材料EuTe₄的突破北京大学物理学院王楠林教授团队在准二维电荷密度波材料EuTe₄中，利用超快激光实现了室温下电子极化态的全光学动态切换。该材料的Te原子层因电荷密度波（CDW）畸变形成规则的三聚体结构，相邻层的同相堆叠导致极化态的形成。通过飞秒激光脉冲激发，研究团队发现：弱激发区间（<6.8 mJ/cm²）：可诱导材料二次谐波（SHG）信号与电阻的非易失性变化。例如，1.5 mJ/cm²脉冲可增强降温支路体系的SHG强度和电阻，而抑制升温支路体系则需2.5 mJ/cm²脉冲，且通过热退火可恢复初始态。强激发区间（>6.8 mJ/cm²）：单个强脉冲可完全消除SHG信号并使电阻增加三个量级，随后通过中等通量脉冲序列（4-5 mJ/cm²）可重新诱导出不同于初始态的极化态，且电阻恢复。这一现象源于Te原子层的极性反转及层间堆叠序的变化，为超快光电器件提供了新机制。该研究首次在室温下实现了全光可逆操控，并诱导出热力学手段无法获得的亚稳态，为新型光存储和逻辑器件奠定了基础。 二、纳米光子平台：硫溴化铬（CrSBr）的磁场调控麻省理工学院（MIT）团队开发了基于层状量子材料CrSBr的纳米光子平台，通过磁场实现光学模式的动态切换。CrSBr具有以下特性：高折射率与微型化：仅需7层原子（约6纳米厚）即可构建光子晶体结构，尺寸为传统材料的1/10。磁场敏感性：施加小幅磁场（约1特斯拉）即可连续可逆地切换光传播模式，无需移动部件或温度变化。极化激子特性：材料内部自然形成光与物质混合的准粒子——极化激子，支持非线性光学效应和量子光传输机制。该平台在132开尔文（-141℃）下实现了光模式的动态调控，解决了传统纳米光子学中折射率受限和光学性质固定的难题，为量子模拟、非线性光学器件提供了新途径。 三、铁电手性钙钛矿：光电协同调控的圆二色性北京量子信息科学研究院团队与合作者在二维Dion-Jacobson相铁电钙钛矿（s-(FBDA)CdCl₄）中，实现了电场与光场协同调控的二次谐波圆二色性（SHG-CD）动态切换。通过引入手性氟化胺分子，材料同时具备铁电性和光学活性：电场控制：正偏压极化后，SHG信号对右旋偏振光敏感；负偏压极化后则对左旋偏振光敏感。光通信应用：基于SHG-CD的异或（XOR）逻辑操作，搭建了光通信模拟平台，通过控制激发光的圆偏振状态实现数据加密与解密，为高保密光通信提供了新方案。该材料在常温下表现出长达两年的结构稳定性和高激光阈值，为光逻辑计算和量子通信奠定了基础。 四、挑战与未来方向尽管上述研究取得了重要进展，仍面临以下挑战：1. 温度限制：部分材料（如CrSBr）需在低温环境下工作，需进一步探索室温高效切换机制。2. 集成与兼容性：量子材料与现有光学系统的集成工艺仍需优化，以实现大规模应用。3. 动态响应速度：目前多数研究的切换速度在纳秒至微秒级，需向皮秒级突破以满足高速光通信需求。未来，通过材料设计（如新型二维材料、钙钛矿衍生物）与器件创新（如莫尔超晶格调控），有望实现更高性能的光学模式动态切换，推动光量子芯片、超快光电器件等领域的发展。例如，四川大学团队利用二维材料莫尔畴壁的应变调控，在10纳米尺度实现了光传播方向的动态操控，为光子芯片的“可编程”调控提供了新思路。这些研究不仅展示了量子材料在光学操控中的独特优势，也为下一代光电子技术提供了理论和实验基础，预计将在通信、计算、传感等领域引发变革。