近日，美国西北大学的研究团队发表了一项具有里程碑意义的研究成果，宣布他们成功研发出一种基于DNA控制组装的非对称胶体超晶体结构。这种新型晶体在光学频率转换方面表现出优异的二次谐波生成（SHG）效率，有望在激光技术、量子信息处理及超快光学成像等领域产生深远影响。该工作以“Nonlinear optical colloidal metacrystals”为题，发表在《Nature Photonics》上。
研究背景：突破光频转换限制
晶体材料中的对称性对其物理性质有深刻影响，尤其是非线性光学（NLO）特性。非对称结构在激发光子双频生成（SHG）等非线性光学效应方面表现出独特优势。研究团队指出，以往的非线性光学材料多为二维结构，受限于表面加工的局限性，未能在三维尺度上实现更高的局部电场增强。而DNA指导的自组装技术可以在纳米尺度上精确构建出所需结构，有望形成超越传统材料的全新光学功能性材料。
技术突破：DNA引导的纳米八面体晶体组装
在本研究中，团队采用DNA介导的底层自组装方法，通过精确调控黄金八面体纳米晶体的DNA负载密度，实现了两种不同对称性（中心对称和非中心对称）的三维胶体晶体。DNA的加载密度成为控制晶体对称性的重要因素：当DNA负载较高时，形成了非对称I4̄3d晶格；负载较低时则生成了中心对称的P6/mmm晶格。这种非中心对称的晶体结构在局部等离子体“热点”处产生了高度非对称的电场分布，从而显著提升了光学二次谐波的生成效率。
团队通过控制DNA分子的浓度、八面体纳米晶体的大小及组装过程中的温度变化，成功实现了对超晶体结构的精准调控。该团队进一步通过扫描电子显微镜（SEM）确认了不同对称结构的晶体形态和层次结构，并采用光学显微镜观察了大规模晶体的整体排列特征。
图1：非线性光学超晶体胶体。
光学性能：显著提升的二次谐波生成效率
研究团队通过实验验证了这种非中心对称结构在二次谐波生成方面的显著优势。具体实验中，研究人员将这种非对称晶体置于反射式显微镜下，使用波长可调的超快脉冲激光照射。实验数据显示，在激光频率为980nm时，非中心对称结构的晶体能生成490nm的二次谐波光，证明了其在光频转换中的高效性。
为了进一步验证SHG强度，团队将激光强度从0逐渐增加到8GW/cm²，观察到SHG强度的增长率符合二次幂依赖关系，证明了二次谐波生成的纯粹光子二次过程。此外，与传统的平面二维光学超表面相比，该晶体的二次谐波转换效率达到了10⁻⁹，远高于绝大多数平面超表面的10⁻¹¹，显现出显著的效率提升。
为了解释这种非对称结构的非线性光学效应来源，研究团队通过有限差分时域（FDTD）方法进行电场分布模拟。模拟结果显示，在晶格单元的外围，特别是在八面体纳米晶体的尖角和边缘处，电场得到了显著增强，这种非对称的局部电场增强是由于结构的非中心对称性和纳米晶体间的紧密堆积所导致。
进一步的数值分析表明，这种晶体结构在基频光（980nm）下可以形成局部场的最大增强，达到约25倍，而在二次谐波波长（490nm）下局部场增强相对较弱（<1.5倍），这意味着SHG响应主要是由基频光的强局部电场驱动。
展望与应用：非线性光学材料的新方向
该研究展现了DNA辅助组装在三维纳米结构设计中的强大潜力，为光学器件和量子信息处理提供了新的材料选择。通过精确控制非对称结构中的局部电场分布，可以设计出具有高度可调性的光频转换材料，为激光技术、超快光学成像及多波混频等应用提供支持。此外，这一研究成果也为将来开发以非金属纳米颗粒为构件、减少光吸收损耗的三维非线性光学晶体提供了宝贵的设计思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01558-0
