世界已知最薄光學晶體來了！

石英片上，厚度僅有一至三微米的轉角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統光學晶體有了一百倍至一萬倍的提升——這是中國科學家發明的世界上已知最薄的光學晶體。早前在二○二四中關村論壇年會開幕式上，這一晶體作為重大成果發佈。

光學晶體可實現頻率轉換、參量放大、信號調制等功能，是鐳射技術的“心臟”。經多年攻關，北京大學團隊創造性提出新的光學晶體理論，並應用輕元素材料氮化硼首次制備出一種超薄、高能效的光學晶體“轉角菱方氮化硼”（簡稱TBN），為新一代鐳射技術奠定理論和材料基礎。該成果近日發表於物理學權威期刊《物理評論快報》。

光學晶體是激光技術的“心臟”。“激光技術是我們當前科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監測等領域大放光彩。”北京大學物理學院教授劉開輝介紹，激光技術的突破高度依賴於一種特殊材料——光學晶體。

集成化、微型化、多功能化是未來激光器的發展方向。但傳統光學晶體很難在有限厚度內高效產出激光，因此製備更輕薄的光學晶體成為各國科學家競相研發的焦點。

中國科學家經反覆組合嘗試，鎖定輕巧的氮化硼為最優選擇。然而實驗發現，只是把氮化硼分子一層一層堆疊起來，當激光穿過時會發生“步調不一致”即相位失配現象，這將阻礙激光的高效輸出，也就無法直接作為光學晶體用於激光器製造。

北京大學物理學院量子材料科學中心王恩哥院士、凝聚態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造了一種新的晶體設計方法：把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉動特定角度，堆疊而成的光學晶體就能降低激光穿過的能耗，高效產出所需的激光。

中國科學家首創的晶體設計理論與製備方法相結合，成功使光學晶體“瘦身”至一至三微米。而傳統光學晶體厚度要在毫米級到厘米級。

研發團隊將這一方法歸納為二維材料的界面轉角理論。“該理論的應用有望讓激光器的尺寸縮小至微米級。一些過去無法製造光學晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉動中再次煥發生機。”劉開輝說。

水 登