《自然-通訊》報道狄拉克量子材料中紅外光開關(guān)

　　中紅外超短脈沖激光器在瞬態(tài)效應(yīng)研究、高速通信、精密光譜以及醫(yī)學傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。雖然超短脈沖激光已有近半個世紀的發(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(shù)可大范圍靈活調(diào)控的光開關(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)的光開關(guān)器件雖然具有優(yōu)異的光學帶寬，但由于缺乏有效的調(diào)控手段，在器件光學參數(shù)精控方面一直沒有取得實質(zhì)性地突破。

　　作為新型量子材料，狄拉克半金屬近年來受到廣泛的關(guān)注。狄拉克半金屬具有和石墨烯類似的能帶結(jié)構(gòu)，也被稱為“三維石墨烯”。南京大學王楓秋教授課題組與科研合作團隊(復旦大學修發(fā)賢教授、電子科技大學李劍峰教授、澳大利亞Wollongong大學張潮教授等)，首次利用中紅外超快泵浦探測技術(shù)系統(tǒng)研究了可通過分子束外延(MBE)生長的三維狄拉克半金屬薄膜材料Cd3As2。實驗結(jié)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的超快光開關(guān)效應(yīng)(或可飽和吸收效應(yīng))。更為重要的是，團隊還通過Cr元素摻雜的方式，成功實現(xiàn)了Cd3As2弛豫時間的靈活調(diào)控。理論計算顯示，Cr摻雜可以打開新的載流子弛豫通道，從而有效縮短材料的開關(guān)時間(即光生載流子復合時間)。相比于同樣具有狄拉克能帶結(jié)構(gòu)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，在制備實用光學器件方面具有更突出的優(yōu)勢。通過選擇具有不同載流子弛豫時間的狄拉克半金屬薄膜作為腔內(nèi)光開關(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(diào)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關(guān)材料，填補了中紅外光電子領(lǐng)域的一個重要的技術(shù)空白，對推動中紅外脈沖激光及光譜技術(shù)的實用化具有重要意義。相關(guān)技術(shù)已申請國家發(fā)明專利兩件。

　　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(quán)威期刊《自然-通訊》(Nature Communications 8, 14111, 2017;DOI:10.1038/ncomms14111)。南京大學徐永兵教授、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。本工作以南京大學電子科學與工程學院、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(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(diào)控示意圖。

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