央廣網(wǎng)上海5月22日消息（記者傅聞捷 通訊員陳琳）近日,，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授吳施偉課題組實(shí)現(xiàn)石墨烯中三階非線性效應(yīng)的電學(xué)調(diào)控并揭示其機(jī)理。倫敦時(shí)間5月21日,，研究成果以《石墨烯中無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子三階非線性光學(xué)響應(yīng)的電學(xué)調(diào)控》(Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene)為題以長文(Article)形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics),。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授劉韡韜為本文的合作通訊作者，課題組博士生江濤,、黃迪為本文的共同第一作者,。

石墨烯是僅由單個(gè)碳原子層組成的蜂窩狀材料。由于其獨(dú)特的晶格與能帶結(jié)構(gòu),，石墨烯中的載流子沒有靜止質(zhì)量,，運(yùn)動(dòng)速度大小固定，只能改變方向,。它們的行為遵從狄拉克相對(duì)論性量子力學(xué)方程,，故此也稱為無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子,。自發(fā)現(xiàn)以來,，石墨烯的特殊性質(zhì)、及其引發(fā)的許多新奇有趣的現(xiàn)象一直是前沿科學(xué)研究的焦點(diǎn),，石墨烯的非線性效應(yīng)是其中的重要一環(huán),。此前，科學(xué)界已注意到石墨烯強(qiáng)烈的三階非線性效應(yīng),，這使石墨烯在微納光子學(xué),、激光產(chǎn)業(yè)、光通信,、量子信息與計(jì)算,、生物成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而,，過去的實(shí)驗(yàn)報(bào)道對(duì)石墨烯三階非線性系數(shù)無法形成統(tǒng)一的觀點(diǎn),，不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至有著高達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

吳施偉等意識(shí)到,，石墨烯中的三階非線性響應(yīng)是由多個(gè)量子共振躍遷通道協(xié)同競爭形成的整體效應(yīng),，提出了采用離子凝膠技術(shù)制備石墨烯場效應(yīng)晶體管器件,，通過大范圍調(diào)控石墨烯中的載流子密度和化學(xué)勢來逐一控制相關(guān)量子共振躍遷通道的研究方法。研究人員發(fā)現(xiàn),，石墨烯中的化學(xué)勢會(huì)強(qiáng)烈地影響其三階非線性光學(xué)響應(yīng),，而且不同的三階非線性效應(yīng)對(duì)化學(xué)勢的依賴關(guān)系完全不同。對(duì)于加法類型的三階非線性效應(yīng),，如三次諧波（Third Harmonic Generation, THG）和加法型四波混頻（Sum-Frequency Mixing,，SFM），當(dāng)調(diào)高化學(xué)勢關(guān)斷單光子,、雙光子共振通道后,，三階非線性效應(yīng)反而會(huì)極大地增強(qiáng)（>30倍）；與此相反,，對(duì)于減法類型的三階非線性效應(yīng),，如減法型四波混頻（Difference-Frequency Mixing，DFM）和光學(xué)科爾效應(yīng)（Optical Kerr effect）,，同樣對(duì)單光子,、雙光子通道的關(guān)斷反而會(huì)使得三階非線性效應(yīng)的強(qiáng)度出現(xiàn)劇烈下降，對(duì)石墨烯非線性光學(xué)系數(shù)的微觀量子理論計(jì)算進(jìn)一步支持了上述結(jié)論,。