哥倫比亞大學的研究人員首次設計出利用二維材料的可調諧對稱性進行非線性光學應用的技術，包括激光、光學光譜、成像和計量系統，以及下一代光學量子信息處理和計算。

非線性光學是研究光如何與物質相互作用的，對許多光子應用至關重要，從我們大家熟悉的綠色激光指針到量子光子學的強寬帶（白光）光源，可以實現光量子計算、超分辨率成像、光學傳感和測距等。通過非線性光學，研究人員正在發現使用光的新方法，從近距離觀察物理學、生物學和化學中的超快過程，到增強通信和導航、太陽能採集、醫學測試和網絡安全。

哥倫比亞工程公司的研究人員報告說，他們開發了一種新的、有效的方法來調製和增強一種重要類型的非線性光學過程，即光學二次諧波生成，他們在六邊形氮化硼多層堆疊中，通過微機械旋轉，兩個輸入的光子結合在一起，產生一個能量為兩倍的光子。該研究已於2021年3月3日在線發表在《科學進展》雜誌上。

氮化硼晶體被蝕刻成微轉子形狀，並由原子力顯微鏡尖端推動。通過這種方式，界面晶格結構（放大插圖）的對稱性被動態調整，從而產生調製的光學頻率轉換效率。這是二維材料領域的一個熱門話題，即探索如何使一層相對於另一層的扭曲或旋轉能夠改變分層系統的電子特性，這在三維晶體中是無法做到的，因為原子在三維網絡中緊密地結合在一起。

科學家現在可以在非常小，只有幾個原子層厚度的體積中實現巨大的非線性光學響應實現，例如，糾纏光子的產生，並具有更緊湊的，芯片兼容的足跡。此外，響應是完全可以按需調整的。該小組發現，范德華多層晶體為工程光學非線性提供了另一種解決方案。得益於極弱的層間力，研究人員可以通過微機械旋轉輕鬆操縱相鄰層之間的相對晶體取向。憑藉在原子層極限控制對稱性的能力，他們分別用微轉子器件和超晶格結構展示了對光學二次諧波產生的精確調諧和巨大增強。