《自然-通訊》報道狄拉克量子材料中紅外光開(kāi)關(guān)

　　中紅外超短脈沖激光器在瞬態(tài)效應研究、高速通信、精密光譜以及醫學(xué)傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有極高的應用價(jià)值。雖然超短脈沖激光已有近半個(gè)世紀的發(fā)展歷史，但受材料和器件技術(shù)的制約，直接利用諧振腔產(chǎn)生高峰值功率、可便攜的中紅外(3-20微米波段)的超短脈沖仍處于探索階段。在中紅外波段獲得關(guān)鍵參數可大范圍靈活調控的光開(kāi)關(guān)器件是突破該瓶頸的關(guān)鍵?；诘途S材料(如碳納米管、石墨烯，以及新興窄帶隙二維材料)的光開(kāi)關(guān)器件雖然具有優(yōu)異的光學(xué)帶寬，但由于缺乏有效的調控手段，在器件光學(xué)參數精控方面一直沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性地突破。

　　作為新型量子材料，狄拉克半金屬近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注。狄拉克半金屬具有和石墨烯類(lèi)似的能帶結構，也被稱(chēng)為“三維石墨烯”。南京大學(xué)王楓秋教授課題組與科研合作團隊(復旦大學(xué)修發(fā)賢教授、電子科技大學(xué)李劍峰教授、澳大利亞Wollongong大學(xué)張潮教授等)，首次利用中紅外超快泵浦探測技術(shù)系統研究了可通過(guò)分子束外延(MBE)生長(cháng)的三維狄拉克半金屬薄膜材料Cd3As2。實(shí)驗結果表明，Cd3As2薄膜在3-6微米這一重要的中波紅外波段具有顯著(zhù)的超快光開(kāi)關(guān)效應(或可飽和吸收效應)。更為重要的是，團隊還通過(guò)Cr元素摻雜的方式，成功實(shí)現了Cd3As2弛豫時(shí)間的靈活調控。理論計算顯示，Cr摻雜可以打開(kāi)新的載流子弛豫通道，從而有效縮短材料的開(kāi)關(guān)時(shí)間(即光生載流子復合時(shí)間)。相比于同樣具有狄拉克能帶結構的石墨烯，狄拉克半金屬薄膜與中紅外光子具有更強的互作用，且不易受到介電環(huán)境的干擾，在制備實(shí)用光學(xué)器件方面具有更突出的優(yōu)勢。通過(guò)選擇具有不同載流子弛豫時(shí)間的狄拉克半金屬薄膜作為腔內光開(kāi)關(guān)，研究團隊還展示了三微米光纖激光器兩種不同脈沖輸出狀態(tài)(調Q態(tài)和鎖模態(tài))的可控切換。該創(chuàng )新研究成果首次論證了狄拉克半金屬是制備高性能中紅外脈沖激光器的理想開(kāi)關(guān)材料，填補了中紅外光電子領(lǐng)域的一個(gè)重要的技術(shù)空白，對推動(dòng)中紅外脈沖激光及光譜技術(shù)的實(shí)用化具有重要意義。相關(guān)技術(shù)已申請國家發(fā)明專(zhuān)利兩件。

　　該工作以“A robust and tuneable mid-infrared optical switch enabled by bulk Dirac fermions”為題于2017年1月20日發(fā)表在國際權威期刊《自然-通訊》(Nature Communications 8, 14111, 2017;DOI:10.1038/ncomms14111)。南京大學(xué)徐永兵教授、張榮教授、施毅教授以及祝世寧院士為本合作項目提供了有力支持。本工作以南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、人工微結構科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新中心為主要研究平臺，受到科技部、國家自然科學(xué)基金委、“青年千人計劃”、“江蘇省雙創(chuàng )團隊計劃”的資助。

　　圖1.狄拉克半金屬中超快載流子弛豫調控示意圖。

　　圖2.(a)三維狄拉克半金屬Cd3As2在3-6微米波長(cháng)處的弛豫曲線(xiàn)。在時(shí)間零點(diǎn)處樣品的透射率變大，表明Cd3As2在測試波長(cháng)范圍具有顯著(zhù)的可飽和吸收特性。(b)在6微米波長(cháng)下，不同Cr摻雜濃度樣品的弛豫曲線(xiàn)。隨著(zhù)Cr濃度的增大，Cd3As2的光開(kāi)關(guān)時(shí)間明顯變快。