杜克大學的電子工程師們發現，改變一類常用於電子學和近紅外和中紅外光子學的材料的物理形狀–硫族化物玻璃–可以將它們的用途擴展到電磁波譜的可見光和紫外線部分，這種玻璃已經在探測器、鏡頭和光纖中得到商業化應用，而現在可能在水下通信、環境監測和生物成像等應用中找到歸宿。

這些結果發表在《自然通訊》雜誌上。

顧名思義，硫族化物玻璃含有一種或多種硫族元素–諸如硫、硒和碲等化學元素。 但是這個家族中有一個成員被他們遺漏了：氧氣。 它們的材料特性使它們成為先進電子應用的有力選擇，如光學開關、超小的直接鐳射寫入（想想微小的可重寫光碟）和分子指紋識別。 但是，由於它們強烈吸收電磁波譜中的可見光和紫外線部分的光的波長，長期以來，在光子學的應用方面，鹵化物玻璃一直被限制在近紅外和中紅外。

杜克大學電氣和計算機工程系教授Natalia Litchinitser說：「近紅外和中紅外已經使用了很長時間，但它們一直有一個基本的限制，即在可見光和紫外光波長下是有損耗的。 “但最近對納米結構如何影響這些材料對光的反應方式的研究表明，可能有一種方法可以繞過這些限制。

在最近對砷化鎵（GaAs）–一種常用於電子領域的半導體–的理論研究中，Litchinitser的合作者，美國陸軍CCDC航空和導彈中心的Michael Scalora和佈雷西亞大學的Maria Vincenti預測，納米結構的砷化鎵對光的反應可能與它的塊狀甚至薄膜的對應物不同。 由於高強度的光脈衝與納米結構材料相互作用的方式，非常薄的材料線彼此相鄰排列，可能會產生更高階的諧波頻率（更短的波長），以至於可以穿過它們。

想像一下，一根被調諧到256赫茲的吉他弦–也就是所謂的中央C調。 研究人員提出，如果製作得恰到好處，這根弦在被撥動時也可能以高出一個或兩個八度的頻率進行少量振動。

Litchinitser和她的博士生Jiannan Gao決定看看這種情況是否同樣適用於致癌物玻璃。 為了測試這一理論，海軍研究實驗室的同事們將一層300納米厚的三硫化砷薄膜沉積在玻璃基板上，然後用電子束光刻和活性離子蝕刻技術對其進行納米化處理，以產生寬430納米、間距625納米的三硫化砷納米線。

儘管三硫化砷完全吸收了600太赫茲以上的光–大致是青色–研究人員發現他們的納米線在846太赫茲時傳輸微小的信號，這正好是在紫外線光譜中。

用近紅外光照亮一個由精心設計的納米線組成的元表面，可以讓原始頻率及其三次諧波的產生和傳輸，這是非常出乎意料的，因為三次諧波落入材料應該吸收的範圍。

這種反直覺的結果是由於非線性三次諧波的產生及其與原始頻率的”相位鎖定”的影響。 Litchinitser說：”最初的脈衝捕獲了三次諧波，並在某種程度上欺騙了材料，讓它們同時通過而沒有任何吸收。 “

展望未來，Litchinitser和她的同事們正在努力研究他們是否能夠設計出不同形狀的黃銅化物，使其能夠比最初的納米帶更好地攜帶這些諧波信號。 例如，他們認為，一對長的、薄的、類似樂高的積木，間隔一定的距離，可能會在第三和第二諧波頻率上產生更強的信號。 他們還預測，將這些元表面的多層堆疊在一起可能會增強效果。

如果成功的話，這種方法可以為流行的電子材料和中紅外光子開啟一個廣泛的可見光和紫外線應用。