近日，南开大学吴强、卢瑶、许京军研究团队提出了利用离子晶体中受激声子极化激元实现巨太赫兹克尔效应的新途径。太赫兹波在离子晶体中与晶格振动相耦合，以声子极化激元的形式存在，与离子相互作用，利用受激声子极化激元非线性可实现巨克尔效应。该成果为未来太赫兹光通信、太赫兹光芯片、太赫兹雷达等提供了新助力。该成果以“Giant Kerr nonlinearity of terahertz waves mediated by stimulated phonon polaritons in a microcavity chip”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。
研究背景
介于微波和可见光之间的太赫兹波是一个蓬勃发展的研究领域。近年来研究者们在太赫兹波产生、成像、探测和通信等等技术方面取得了很多重大成果。借助太赫兹技术的突破与进步，人们在太赫兹波段的高次谐波产生、非线性物质操控等等取得了一系列重大进展。在可见与红外波段，克尔效应催生出了光开关、光隔离器与调制器等等实用化光子学器件，助力了光孤子与频率梳等等技术的长足进步。相比之下，以克尔效应为机理的众多太赫兹光子学器件亟待研究和发展。同时，太赫兹克尔效应也可作为实现光计算、人工智能和全光芯片的基石。然而在太赫兹波段，克尔效应的研究目前刚刚展开，仅少部分物质的克尔系数及其物理机理得到了研究探索。对于器件化、实用化，不仅要考虑克尔系数的大小，还需要考虑物质本身是否能在工作环境下稳定存在以及加工难度等等方面。因此，面对太赫兹光通讯、光计算、光子学实用化器件等等的重大需求，首先要解决的瓶颈是如何在切实可用材料中实现强克尔效应。
研究创新
图1. 单模微腔中克尔效应引起的频率移动：(a)单模微腔以及激发示意图；(b)不同激发功率下单模微腔中太赫兹时域振荡；(c)不同激发功率下单模微腔中的频谱。
此外，作者团队还设计并制作了多模太赫兹微腔，再次验证了由于克尔效应引起的频率移动。不同于单模微腔，多模微腔中模式与模式之间还存在互调制现象，实验结果中的频率移动与理论预期完全吻合。
总结与展望
Huang, Y., Lu, Y., Li, W. et al. Giant Kerr nonlinearity of terahertz waves mediated by stimulated phonon polaritons in a microcavity chip. Light Sci Appl 13, 212 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01509-y
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