石英片上，厚度僅有1至3微米的轉角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統光學晶體有了100倍至1萬倍的提升——這是我國科學家發明的世界上已知最薄的光學晶體。4月25日舉行的2024中關村論壇年會開幕式上，這一晶體作為重大成果發布。

圖為熔融石英上的菱方氮化硼晶體。（受訪者供圖）

光學晶體是激光技術的“心臟”。“激光技術是我們當前科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監測等領域大放光彩。”北京大學物理學院教授劉開輝介紹，激光技術的突破高度依賴於一種特殊材料——光學晶體。

集成化、微型化、多功能化是未來激光器的發展方向。但傳統光學晶體很難在有限厚度內高效產出激光，因此制備更輕薄的光學晶體成為各國科學家競相研發的焦點。

中國科學家經反復組合嘗試，鎖定輕巧的氮化硼為最優選擇。然而實驗發現，只是把氮化硼分子一層一層堆疊起來，當激光穿過時會發生“步調不一致”即相位失配現象，這將阻礙激光的高效輸出，也就無法直接作為光學晶體用於激光器制造。

圖為轉角光學晶體原位加工和檢測系統。（受訪者供圖）

北京大學物理學院量子材料科學中心王恩哥院士、凝聚態物理與材料物理研究所劉開輝教授和洪浩特聘副研究員等研究人員創造了一種新的晶體設計方法：把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉動特定角度，堆疊而成的光學晶體就能降低激光穿過的能耗，高效產出所需的激光。

我國科學家首創的晶體設計理論與制備方法相結合，成功使光學晶體“瘦身”至1至3微米。而傳統光學晶體厚度要在毫米級到厘米級。

研發團隊將這一方法歸納為二維材料的界面轉角理論。“該理論的應用有望讓激光器的尺寸縮小至微米級。一些過去無法制造光學晶體的材料，也有望在材料堆疊角度的轉動中再次煥發生機。”劉開輝對記者說。

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