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  • 国科大物理科学学院周武课题组参 国科大物理科学学院周武课题组参与可用于超薄量子光源的NbOCl2材料研究在《自然》杂志发表

           在量子光学中,一个光子在能量和动量守恒下裂变成一对相关光子的过程被称之为自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion, SPDC)。这种二阶非线性光学(second-order nonlinear optical, NLO)过程被认为是现代量子技术中量子光源的核心,可以用于制备彼此之间存在量子纠缠的光子对。目前,基于SPDC过程的量子光源主要由具有二阶非线性光学特性的三维块体晶体(如硼酸钡或铌酸锂)实现,然而,块体材料中三维共价键的存在以及相对较弱的非线性在本质上对混合集成量子光学是不利的。二维层状材料由于具有独特的范德华结构,可以摆脱晶格及加工的限制实现无键集成。此外,二维层状范德华材料还显示出强的多体电子效应以及宽松的相位匹配条件,导致其在二维极限下有较大的光学非线性,从而在集成二次非线性光学的光电器件和光学器件领域引发了强烈关注。

           对于二维层状材料而言,其非线性转化效率受限于原子级的光-物质相互作用长度,因此,虽然单层过渡金属二硫化物具有极高的二阶极化率,但是其绝对的光-物质相互作用强度太弱而无法实际应用。此外,许多二维层状材料的非线性转化率并不会随着厚度的增加而线性增加,这是由于二维层状材料的对称中心会随着层数的变化而改变。当二维半导体由单层堆垛成范德华结构时,其层间电子耦合及介电屏蔽会导致二维半导体中的电子结构随厚度增加而发生显著演变以及激子效应的衰减,从而对二维范德华材料的非线性光学特性带来不利影响。因此,为了适应快速发展的混合集成光子平台,亟需开发不受材料厚度影响的具有二阶非线性光学特性的二维范德华材料。

           近日,中国科学院大学周武教授课题组与新加坡国立大学Andrew T. S. Wee教授课题组、Stephen J. Pennycook教授课题组、邱成伟教授课题组、中国科学技术大学任希锋教授课题组合作制备了一种可用于超薄量子光源的NbOCl2二维非线性光学晶体。得益于该晶体极弱的层间电子耦合与几乎不随厚度衰减的激子效应,薄层NbOCl2材料能够产生极强的二次谐波信号(比单层WS2高三个数量级),在46nm的NbOCl2薄片中即能明确观察到通过SPDC过程产生的非经典参数光子对,SPDC效率优值高达9800 GHz W-1 m-1。这是第一个在二维材料中明确演示的SPDC源,也是迄今为止报道过的最薄的SPDC源,显示了NbOCl2在非线性光子学领域的巨大应用潜力。该研究工作为开发基于范德华材料的超紧凑芯片SPDC源以及经典和量子光学技术中的高性能光子调制器开辟了道路。

           利用球差校正扫描透射成像技术,该研究团队对NbOCl2二维层状晶体的平面及截面结构进行了原子尺度的表征。研究团队发现NbOCl2晶体结构存在明显的各向异性(如图一所示),特别是沿晶体c轴Nb原子间间距交替改变,形成了一维的派尔斯链,导致存在沿着晶体b轴的电极化矢量。原子尺度下的扫描透射成像结果揭示了NbOCl2二维层状晶体存在显著光学各向异性的结构起源。此外,周武课题组还利用高能量分辨的电子能量损失谱,测量不同层数NbOCl2晶体的能隙与吸收峰(如图二a-b所示)。通过对电子能量损失谱进行切线拟合,获得了不同层数NbOCl2晶体的能隙大小。实验结果显示NbOCl2的能隙大小几乎不随层数增加而改变,这一点与绝大多数过渡金属硫族化合物材料不同(即,能隙大小会随层数增加显著改变,甚至由直接带隙转变为间接带隙),反映了NbOCl2中层间电子耦合效应极弱。第一性原理计算的结果亦证实了这一结论(图二d-e)。

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    图一、少层NbOCl2晶体的平面、截面晶体结构、化学成分表征。

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    图二、不同层数的NbOCl2晶体的价电子能量损失谱与第一性原理计算的NbOCl2电子能带结构和光学吸收谱。

           本项工作中,该研究团队结合原子分辨扫描透射电子显微成像、高能量分辨电子能量损失谱和第一性原理计算,揭示了NbOCl2极弱的层间电子耦合与几乎不随厚度增加衰减的激子效应, 从实验出发解释了为何NbOCl2晶体存在优异的非线性光学性质,对新一代超薄量子光源的研发具有重要科学意义。

           该研究成果以Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal为题发表在2023年1月5日的《自然》(Nature)杂志上(点击查阅原文)。新加坡国立大学博士后郭强兵,博士生张丽树,中国科学技术大学博士生祁晓卓和中国科学院大学周武教授课题组的博士生高猛为本论文的共同第一作者,新加坡国立大学Andrew T.S. Wee教授、Stephen J. Pennycook教授(中国科学院大学卓越客座教授)、邱成伟教授、郭强兵博士后以及中国科学技术大学任希锋教授为本论文的通讯作者。中国科学院大学周武教授课题组博士生许名权对本研究亦有贡献。该研究工作获得了科技部国家重点研发计划、北京高校卓越青年科学家计划项目等资助。

    2023-01-06
  • 物理科学学院成功举办“玉兔呈祥 物理科学学院成功举办“玉兔呈祥,喜迎新春”巧手DIY活动

          春节将至,为让留校学生感受到学院“大家庭”的温暖,丰富大家的艺术文化生活,营造浓厚的新春节日氛围,1月19日,物理科学学院组织留校学生开展“玉兔呈祥,喜迎新春”巧手DIY活动。

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          活动伊始,收到“文化大礼包”的同学们第一时间与学院老师分享了这份喜悦,并迫不及待地拆开,制作起来。

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          大家一起写福字、春联,制作灯笼、贺卡,活动现场热闹非凡,喜气洋洋。一张张饱含神韵的“福”字,一幅幅充满节日气息的春联,一盏盏象征着“阖家团圆,红红火火”的兔年灯笼,在同学们的巧手下一一呈现。大家个个喜上眉梢,欢喜之情溢于言表,衬托出浓浓的年味,寄托着大家对美好生活的期盼。

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          同学们手捧自己的作品,纷纷表示感受到了春节的脚步越走越近,新年的气息也越来越浓。此次活动的开展,不仅营造了积极向上、喜庆祥和的节日气氛,还丰富了同学们的精神年货,让大家切实感受到中华传统文化的魅力。

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    2023-01-20
  • 物理科学学院联合党委举行学习贯 物理科学学院联合党委举行学习贯彻党的二十大精神宣讲报告会

            2023年1月10日下午三点,中国科学院大学物理科学学院联合党委联合高能所粒子天体党总支举行学习贯彻党的二十大精神宣讲会。党的二十大代表、中科院学习贯彻党的二十大精神宣讲团成员、中科院前沿科学与教育局副局长卢方军同志作题为《学习党的二十大精神的几点体会》的宣讲报告。报告以线上会议的形式进行,物理科学学院联合党委全体党员和所属学院教职工参加会议。本次会议由物理科学学院联合党委副书记黄梅同志主持。

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            宣讲会上,卢方军同志首先对党的二十大报告作出了深刻而生动的阐述,围绕开辟马克思主义中国化时代化新境界、实施科教兴国战略、强化现代化建设人才支撑、推进文化自信自强、铸就社会主义文化新辉煌等方面对党的二十大报告进行了详细解读。

            紧接着,卢方军同志讲述了党的二十大报告三个学习切入点,阐释了中国共产党以人民为中心的发展理念,并指出我国社会主要矛盾已经发生转变,因此要加强统筹协调,坚持系统观念和问题导向,解决发展不平衡不充分的问题,满足人民需要。同时,卢方军同志还强调了中华优秀传统文化的重要性,对文化自信的理念发展过程进行了详细解读。

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            卢方军同志指出,党的二十大报告首次将教育、科技和人才作为专章描述,阐明了教育、科技和人才之间的紧密联系,是系统思维的重要体现。通过结合我国电动汽车和可再生能源等领域的发展情况,生动显示出创新是跨越中等收入陷阱的驱动力。卢方军同志结合自身在大科学装置方面的经历,明确指出建制化科研是发挥战略科技力量作用的主要途径,依托大科学装置,可以增进基础前沿领域的国际合作与交流。

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            随后,卢方军同志论述了中国共产党对跳出历史周期率的思想历程,解答了为什么中国共产党要自我革命和为什么中国共产党能够自我革命的问题,深刻阐述了中国共产党全面从严治党的决心。

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            最后,黄梅同志在总结讲话中指出,卢方军同志系统深入地阐述了党的二十大精神,对全体党员立足新起点、奋进新征程具有十分重要的指导意义。黄梅同志号召全体党员将思想和行动统一到党的二十大精神上来,强化使命担当,为加快实现高水平科技自立自强贡献力量。

    2023-01-16
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