新方法在芯片上实现光循环传播数百万次
发布时间: 2026-04-14 10:57:09
芬兰阿尔托大学联合多国研究团队开发了一种类似“纳米级外科手术”的方法，为脆弱的范德华材料打造了一层“纳米铠甲”，可在不破坏材料的情况下对其进行加工，在芯片上实现光可循环传播数百万次的创纪录表现。这项发表在最新一期《自然·材料》杂志上的研究，攻克了实现更快、更高效光子芯片的一大难题，标志着范德华材料的重要进展，并推动其由辅助性界面材料，向承担核心功能的器件结构材料转变。
自石墨烯兴起以来，范德华材料因其优异的光学和电子性质而备受关注。这类材料通常由原子级薄层构成，层与层之间通过较弱的范德华力结合，可像“积木”一样自由堆叠和调控，展现出优异性能。同时，其表面在原子尺度上极为平整，且天然不存在悬挂键，有助于减少光在传播过程中的散射损耗，因此被视为下一代光子芯片的重要基础。
然而，由于结构极其脆弱，范德华材料在加工过程中极易受到损伤。传统纳米制造技术，如聚焦离子束刻蚀或电子束加工，往往会破坏其晶体结构，甚至导致材料性能显著下降。这一问题长期制约着其从“实验材料”走向“功能器件”的转变。
为破解这一难题，团队在对材料进行纳米加工之前，先在其表面覆盖一层超薄铝膜作为临时保护层。这层铝膜就像一套微观“铠甲”，能抵御离子束的破坏性冲击，在保持晶体质量的同时，实现亚100纳米精度的加工。
借助这一方法，团队制备出高质量的范德华微盘谐振器。这种微型圆盘结构可有效“困住”光，使其在极小空间内持续循环传播。实验结果显示，该器件的品质因子超过100万，意味着光在每次循环中的能量损耗仅为百万分之一。换言之，光可以在其中往返数百万次而不明显衰减。
这一性能比此前范德华谐振系统高出三个数量级，是该领域的一项重大突破。更重要的是，光在结构中的长时间停留，使其与材料之间的相互作用显著增强。在二次谐波产生实验中，研究团队观察到转换效率提升约4个数量级，即约1万倍，显示出极强的光调控能力。
这一成果不仅为范德华材料在光子学中的应用扫清关键障碍，也为研究片上可重构光子电路、量子光源及高灵敏传感器提供了新思路，显示出其向核心功能器件转变的应用潜力。
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