《自然-通訊》報道狄拉克量子材料中紅外光開關

OFweek激光網訊：中紅外超短脈衝激光器在瞬態效應研究、高速通信、精密光譜以及醫學感測技術等領域具有極高的應用價值。雖然超短脈衝激光已有近半個世紀的發展歷史，但受材料和器件技術的制約，直接利用諧振腔產生高峰值功率、可便攜的中紅外（3-20微米波段）的超短脈衝仍處於探索階段。在中紅外波段獲得關鍵參數可大範圍靈活調控的光開關器件是突破該瓶頸的關鍵。基於低維材料（如碳納米管、石墨烯，以及新興窄帶隙二維材料）的光開關器件雖然具有優異的光學帶寬，但由於缺乏有效的調控手段，在器件光學參數精控方面一直沒有取得實質性地突破。

作為新型量子材料，狄拉克半金屬近年來受到廣泛的關注。狄拉克半金屬具有和石墨烯類似的能帶結構，也被稱為「三維石墨烯」。南京大學王楓秋教授課題組與科研合作團隊（復旦大學修發賢教授、電子科技大學李劍峰教授、澳大利亞Wollongong大學張潮教授等），首次利用中紅外超快泵浦探測技術系統研究了可通過分子束外延（MBE）生長的三維狄拉克半金屬薄膜材料Cd3As2。實驗結果表明，Cd3As2薄膜在3-6微米這一重要的中波紅外波段具有顯著的超快光開關效應（或可飽和吸收效應）。更為重要的是，團隊還通過Cr元素摻雜的方式，成功實現了Cd3As2弛豫時間的靈活調控。理論計算顯示，Cr摻雜可以打開新的載流子弛豫通道，從而有效縮短材料的開關時間（即光生載流子複合時間）。相比於同樣具有狄拉克能帶結構的石墨烯，狄拉克半金屬薄膜與中紅外光子具有更強的互作用，且不易受到介電環境的干擾，在製備實用光學器件方面具有更突出的優勢。通過選擇具有不同載流子弛豫時間的狄拉克半金屬薄膜作為腔內光開關，研究團隊還展示了三微米光纖激光器兩種不同脈衝輸出狀態（調Q態和鎖模態）的可控切換。該創新研究成果首次論證了狄拉克半金屬是製備高性能中紅外脈衝激光器的理想開關材料，填補了中紅外光電子領域的一個重要的技術空白，對推動中紅外脈衝激光及光譜技術的實用化具有重要意義。相關技術已申請國家發明專利兩件。

該工作以「A robust and tuneable mid-infrared optical switch enabled by bulk Dirac fermions」為題於2017年1月20日發表在國際權威期刊《自然-通訊》(Nature Communications 8, 14111, 2017;DOI:10.1038/ncomms14111)。南京大學徐永兵教授、張榮教授、施毅教授以及祝世寧院士為本合作項目提供了有力支持。本工作以南京大學電子科學與工程學院、人工微結構科學與技術協同創新中心為主要研究平台，受到科技部、國家自然科學基金委、「青年千人計劃」、「江蘇省雙創團隊計劃」的資助。

圖1.狄拉克半金屬中超快載流子弛豫調控示意圖。

圖2.(a)三維狄拉克半金屬Cd3As2在3-6微米波長處的弛豫曲線。在時間零點處樣品的透射率變大，表明Cd3As2在測試波長範圍具有顯著的可飽和吸收特性。(b)在6微米波長下，不同Cr摻雜濃度樣品的弛豫曲線。隨著Cr濃度的增大，Cd3As2的光開關時間明顯變快。