2026年5月28日 —— 物理学家们开发出了一种微型非线性光源，可以通过一个电“旋钮”来开启、关闭或调节至特定强度。

《Optica》期刊发表了这项由埃默里大学领导的研究，该成果可能有助于设计更小、更灵活的通信、传感和量子计算技术。

新方法聚焦于一种被称为二次谐波生成（SHG）的非线性光学类型，其中两个相同频率的光子与材料相互作用，合并成一个频率加倍的光子。

“此前没有人证明过，在如此小的器件中，你可以通过电旋钮来调节二次谐波生成，”论文资深作者、埃默里大学物理学教授Hayk Harutyunyan说。

整个集成组件的宽度略大于200纳米，比人类头发丝的宽度还要小100倍以上。而其中光产生的活性区域仅宽2到6纳米，比大多数现有的二次谐波生成器件小几十倍，且可控性要高得多。

“我们可以开启我们的器件、完全关闭它，并在500%的范围内提高或降低其强度，”Harutyunyan说。

埃默里大学詹姆斯·T·兰尼研究生院的博士生Yuankai Tang是该论文的第一作者。

共同作者包括英国剑桥大学的Amit Agrawal；新加坡国立大学的Ariando Ariando和Saurav Prakash；以及佛罗里达州埃格林空军基地空军研究实验室的Monica Allen和Jeffrey Allen。

二次谐波生成已广泛应用于激光频率加倍以及生物、医学和材料科学的高分辨率光学显微术等领域。

“这是一个非常重要的过程，”Harutyunyan解释道，“因为它为你提供了调节光学相互作用并产生新光的方法。”

Harutyunyan研究的一个关键重点是在纳米尺度上增强、控制和表征光学特性及能量流动，以应对光子技术领域重大挑战。

20世纪50年代，随着硅半导体作为微型晶体管来控制电流的发展，电信领域发生了一场重大革命。这些晶体管带来了更小、更快的计算机，并为从平板电视到手机的一切技术铺平了道路。

晶体管持续变得更小、更高效，但大约15年前，这一进程停止了，因为晶体管无法再变得更小且仍能良好运行。

与此同时，光正在开辟新的技术前沿。

除了光纤电缆，还存在一些处理光而非电的半导体芯片的例子。然而，要使这项技术广泛实用化并提高处理速度、同时降低能耗，还需要进一步的改进。

“如果我们想要改进光子芯片，就需要开发出更好的、我们能够控制的纳米级光源，”Harutyunyan解释道。

应对纳米尺度光调制持续挑战的一种方法是被称为等离激元场致二次谐波（plasmonic-EFISH）器件的组件。它们提供了电子学与高速光子学之间的桥梁，允许比传统器件更小、更快、更高效的光学开关。

然而，大多数等离子体-EFISH器件的可调性不强，且相对较大。

“小是关键，”Harutyunyan说，“这就是电子学和光子学领域的游戏规则。你需要将尽可能多的功能挤进一个狭小的空间。”

Harutyunyan和Tang着手研究他们是否能开发出更好、更小的等离子体-EFISH器件。他们采用了一种新方法，聚焦于一个称为隧穿结的组件——这是一种半透性屏障，在光电组件中充当绝缘层。

Tang热爱在看不见的领域工作，使用专门的工具在原子尺度上制造和测试器件。

当前项目的一个关键挑战是开发一种隧穿结，其材料要足够坚固以在施加电压时保持稳定，但又足够薄以允许电子的量子粒子穿过。

Tang首先开发了旨在实现这一目标的模拟算法，然后利用结果来制造组件。

一种称为溅射的技术（可以想象为使用高能离子进行喷涂），使他能够在玻璃片上涂覆一层薄薄的氧化铟锡（一种导电材料）。他使用同样的技术添加了一层超薄的二氧化硅，厚度仅有几个原子层，作为隧穿结。

Tang通过使用电子束光刻技术（一种原子尺度上的计算机辅助设计）为金电极制作了模具。然后，他在高真空室中加热黄金，直至其蒸发并凝结，在聚合物模具内形成一层薄而均匀的涂层。

他施加了一层薄薄的铬作为粘合层，将这些金电极固定在二氧化硅纳米层上。

经过艰苦的组件制造和集成过程后，Tang施加电压进行实验……然后，啪的一声！

二氧化硅纳米层基本上短路了，烧毁了组件。

“它不够稳定，无法保持电荷超过几分钟，”Tang解释道。

他重复了漫长的建模、制造和集成过程，这次使用氧化铝作为隧穿结。

它再次短路了。

“这是这个项目中最具挑战性的时期，”Tang说，“我们尝试了这么多想法和材料，经过一年多时间，却无法让它工作。”

当Harutyunyan实验室与开发超薄量子材料的专家——新加坡国立大学Ariando小组的成员——取得联系时，突破出现了。

“虽然我们是非线性光学方面的专家，但他们在制造氧化物薄膜方面是专家，”Harutyunyan说，“对于如此复杂的项目，我们意识到需要汇集独特的专业领域知识。”

新加坡团队选择了氧化镥作为隧穿结材料，这种材料以其高熔点和即使在极端条件下也保持稳定而闻名。他们使用脉冲激光沉积法在氧化锆上涂覆氧化铟锡，然后在底部加上一层超薄但高度稳定的氧化镥层。

Tang精心制作了金电极，以便与新加坡研究人员制造的组件精确集成。

这一次，当Tang施加电压时，隧穿结经受住了考验。该器件按照预期工作。

“感觉太棒了，”Tang说。

“据我们所知，这是首次通过隧穿结实现电可调二次谐波生成的演示，”Harutyunyan说。

实验表明该器件具有很大的调制范围，使其成为基础光-物质相互作用研究的多功能平台，也为改善光子芯片的集成电路提供了一种新颖概念。

“如果你要用光子流取代电流，你就需要能够按需产生光子并控制其流动速率，”Harutyunyan解释道。

从长远来看，这种控制纳米尺度光学过程的新方法为改进量子计算过程提供了另一种工具。研究人员致力于创建可扩展、网络化的量子计算系统，而使用光粒子来编码和处理“量子比特”（量子信息的基本单位），为室温操作下的高速传输提供了潜力。