蘇州實驗室PRL：二維非線性光學材料中的雙激子共振效應

【研究背景】

非線性光與物質相互作用是指材料中微觀電子體系對外加電磁場產生的高階響應，包括諧波產生、自發參量下轉換、體相光電流等物理現象，是集成光電器件、量子信息糾纏態光源、新型光伏器件等最前沿科學技術中的重要物理過程。由于目前國際上缺乏對非線性光電響應中量子多體效應等基礎物理性質的理解，同時與其相關的新技術存在巨大應用前景，因此過去十年此領域備受關注。通常由于非線性過程強度較弱，往往采用體相材料以增加轉換效率，但體相材料受到相位匹配條件約束以及難以集成等限制。而二維材料則是突破這些限制的潛在選擇，尋找具有較高非線性響應系數的二維材料是光電器件材料設計的重要研究方向。

【成果導讀】

近期，蘇州實驗室副研究員鉉豐源與新加坡國立大學Su Ying Quek課題組合作，發展了第一性原理GW-Bethe-Salpeter-Equation(GW-BSE)方法用以計算二階電極化率中的激子效應，突破了傳統非線性光學性質計算中無相互作用近似的限制，揭示了電子-空穴多體相互作用對材料非線性光電性質的重要影響，并預測雙激子共振現象。該工作以“Exciton-Enhanced Spontaneous Parametric Down-conversion in Two-Dimensional Crystals”為題發表在期刊Physical Review Letter上。

Fig 1:單層NbOX₂的原子結構、能帶與光學吸收譜;(c e)中綠黃分別為Nb和X原子軌道投影 (b)中黑/紅/藍線分別為BSE/DFT/實驗結果，(d,f)藍紅實線為BSE結果，藍虛線為實驗結果。

二維材料中由于電子-空穴之間的庫倫屏蔽效應較弱，因而導致激子態（電子-空穴對的束縛態）的形成并深刻影響材料中多電子體系激發態的相關性質。傳統密度泛函理論（DFT）無法準確預測激子態，而基于量子多體微擾論的GW-BSE方法通過計算電子-空穴間的直接庫倫相互作用和屏蔽交換作用矩陣，可準確描述量子多體激發態。首先作者選取一類新型鐵電材料（單層NbOX₂ X=I, Cl），其原子結構和能帶如圖1所示。圖1b中可以看出，相較DFT，BSE對線性吸收譜的預測明顯與實驗符合更好，這體現出低維材料中激子效應對光學性質的主導作用。作者進一步計算了NbOI₂二次諧波產生系數，并發現二階光電響應中BSE計算結果與實驗測量結果吻合，而DFT結果與實驗不符（圖2d）。同時計算顯示二維材料中電子-空穴強相互作用導致其非線性響應存在明顯激子增強效應，而二次諧波產生系數的Lehmann表示可分解出兩種激子共振形式：w-resonance和2w-resonance（圖2和3中黑綠色豎線）。最后作者計算了單層NbOCl₂材料中影響單光子分裂成兩低能光子的自發參量下轉換過程響應系數（圖3），并預測當材料中兩類激子共振條件同時滿足時，既圖3b中黑色綠色豎線代表的兩種激子共振位置重合時，可極大增強自發參量下轉換效率。

Fig 2: (a-c) NbOI₂二次諧波產生系數的BSE計算結果，黑豎線分別為w-resonance強度；(d)二次諧波產生強度的極化圖與實驗數據比較，黑實線為BSE結果，藍虛線為DFT結果，紅散點為實驗。

Fig 3: (a-d) NbOCl₂自發參量下轉換系數的BSE計算結果，黑綠豎線分別為w-resonance和2w-resonance強度; (e-g)雙激子共振條件示意圖。

【小結】

該工作發展了第一性原理GW-BSE方法用以準確預測量子多體相互作用對二維材料非線性光學響應過程的影響，以新型鐵電材料NbOX₂為例，作者成功解釋了實驗觀察到的二次諧波產生強度與線性吸收譜，揭示了激子效應對非線性光學響應的增強原理，并預測二階電極化響應中存在雙激子共振現象，可用于指導尋找下一代超薄糾纏態光源材料。

文章信息：

Fengyuan Xuan, MingRui Lai, Yaze Wu, and Su Ying Quek “Exciton-Enhanced Spontaneous Parametric Down-conversion in Two-Dimensional Crystals”, Phys. Rev. Lett. 132, 246902 (2024), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.246902