南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学吴强、卢瑶、许京军教授课题组，在受激声子极化激元的研究中取得了重要进展。团队利用离子晶体中太赫兹波与晶格振动强耦合的特点，激发受激声子极化激元非线性，实现了太赫兹巨克尔效应。该成果为未来太赫兹光通信、光计算、太赫兹光芯片等提供了新助力。该研究成果以“Giant Kerr nonlinearity of terahertz waves mediated by stimulated phonon polaritons in a microcavity chip”（片上微腔中受激声子极化激元介导的太赫兹波巨克尔非线性）为题发表在国际著名学术期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
克尔效应是众多光子学器件与应用的核心机理。在可见与红外波段，克尔效应已经催生出了光开关、光隔离器与调制器等等实用化器件，并助力了光孤子与频率梳等等技术的长足进步。相比之下，以克尔效应为机理的众多太赫兹光子学器件亟待研究和发展。同时，太赫兹克尔效应也可作为实现光计算、人工智能和全光芯片的基石。然而在太赫兹波段，克尔效应的研究目前刚刚展开，仅少部分物质的克尔系数及其物理机理得到了研究探索。对于器件化、实用化，不仅要考虑克尔系数的大小，还需要考虑物质本身是否能在工作环境下稳定存在以及加工难度等等方面。因此，面对太赫兹光通讯、光计算、光子学实用化器件等等的重大需求，首先要解决的瓶颈是如何在切实可用材料中实现强克尔效应。
为满足上述重大需求，南开大学团队利用太赫兹波在离子晶体中与晶格振动强耦合这一特点，可以触发受激声子极化激元非线性，得到太赫兹巨克尔非线性效应。为研究该效应，研究团队设计并利用飞秒直写技术在铌酸锂平板波导上制作了太赫兹法布里-珀罗微腔，观测到了微腔中共振峰随着泵浦功率大小的改变而移动。频率移动的原因正是在太赫兹克尔效应的作用下，太赫兹波调制了所在微腔的有效折射率。研究团队建立了频率移动模型，提取出了受激声子极化激元介导的太赫兹克尔非线性系数，相较于铌酸锂在可见波段的克尔非线性系数，实现了4个数量级的提升。此外通过对描述声子极化激元的黄昆方程进行了非线性修正，研究团队给出了受激声子极化激元太赫兹克尔效应的理论模型，理论计算结果与实验结果吻合很好。
利用受激声子极化激元实现太赫兹巨克尔效应这一方法不局限于铌酸锂之中，对于其他离子晶体具有普适性。该方法在实际应用方面给具有巨大潜力，为未来太赫兹通讯、光计算以及各种实用化太赫兹光子学器件提供了强大助力，为基于太赫兹克尔效应的物理、化学、生物系统开拓了新途径。
单模微腔中克尔效应引起的频率移动：(a)微腔中受激声子极化激元概念示意图。(b)不同激发功率下微腔中的频谱。(c)微腔共振频率与太赫兹波电场峰值的对应关系。
南开大学为第一完成单位，博士研究生黄意博为第一作者，卢瑶副教授、吴强教授与许京军教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01509-y
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