近日，新加坡南洋理工大学刘政教授、王岐捷教授联合哈尔滨工业大学李兴冀教授在国际权威期刊Light: Science & Applications发表一项突破性研究成果："Colossal infrared nonlinear optical anisotropy in a 2D charge-transfer Mott insulato"，研究团队在二维电荷转移莫特绝缘体（charge-transfer Mott insulator, CTMI）VOCl中，观测到巨型三次谐波（THG）偏振各向异性——THG各向异性比ρTHG在1280 nm 激发下最高达到187，并可在2028–1280 nm的宽红外波段内实现从2.6到187的可调增强（72倍调制）。这一发现不仅刷新了范德华材料体系中的THG各向异性纪录，也为“偏振选择性频率转换、片上偏振器件与红外上转换探测”等方向提供了新的材料底座。刘政教授、王岐捷教授和李兴冀教授为该论文的通讯作者；新加坡南洋理工大学高级博后段瑞焕、南京航空航天大学朱松教授、哈尔滨工业大学徐晓东教授为论文的共同第一作者。
非线性光学及其各向异性，是现代纳米光子技术实现高效频率转换与偏振操控的关键能力之一。随着片上光子学、超快器件与多路复用等需求快速增长，学界迫切需要同时具备“强非线性响应+强各向异性”的二维材料体系。与此同时，莫特绝缘体因强电子关联导致的载流子局域化与能隙机制，被认为在非线性光学方面具有独特优势，但在二维范德华材料平台上实现“可用、可调、可解释”的巨型非线性各向异性，仍是挑战。
图1. 2D CTMI VOCl的基本表征
图2. 2D CTMI VOCl的THG性质
在THG实验中，研究人员以1558 nm红外激光激发VOCl，得到~519 nm（λ/3）的三次谐波发射峰，并通过log–log标度获得斜率约3的依赖关系，直接验证了三阶非线性过程。同时，泵浦波长对THG强度影响显著，THG峰值响应出现在约1500 nm激发附近，与吸收峰与带隙共振增强相吻合。不同于许多2D材料“层数变化导致能带/非线性显著漂移”的常态，VOCl的χ(3)表现出显著的“层数不敏感”：单层VOCl 的χ(3)约为1.9×10-19 m2/V2，且随厚度增加几乎保持不变；其带隙也从单层到块体保持近似常数（~2.0 eV量级）。这种极弱层间电子耦合特征，意味着器件设计可以在“厚度/转移工艺容差”上获得更大自由度。
图3. 2D CTMI VOCl的巨大的THG各向异性
该工作最引人瞩目的突破在于VOCl的THG对入射偏振极其敏感。论文定义各向异性比ρTHG = Ix/Iy（分别对应沿晶体两条正交晶轴方向的THG强度），并指出其与三阶非线性张量分量之比密切相关。实验显示：在1558 nm激发、约35 nm厚样品中，ρTHG已可达到约43；当激发波长调至1280 nm时，ρTHG最高达到约187，并在2028–1280 nm之间实现从2.6→187的连续可调（72倍提升）。此外，ρTHG行为可分为两个截然不同的阶段。在第一阶段（2082纳米降至约1550纳米），ρTHG逐渐增加，该阶段对应三次谐波光子能量位于~1.69-2.30 eV区间，其值低于带间跃迁能，无法触发O_p和Cl_p轨道向V_d轨道的电荷转移（图1a和d-f），导致ρTHG值较小；而在第二阶段（约1550纳米至1280纳米），三次谐波光子能量进入2.3-3.0 eV区间，随着波长减小，χ11快速增大而χ22保持不变甚至减小（图4a-c），ρTHG急剧上升，并在1200 nm附近达到峰值。
为解释ρTHG在特定波段陡增，研究人员提取了基态与激发态各原子的电荷布居数（图4f）：相较于基态，激发态的电荷布居数明显降低，且Cl和O原子的电荷减少量大于V原子，表明在约3.0 eV共振能量处存在显著的p→d电荷转移。总而言之，当光子能量调谐至电荷转移能隙尺度时，激发态发生显著的p–d轨道间电荷转移，推动THG各向异性在~1200 nm附近快速抬升；同时，CTMI行为与内禀C3对称性破缺的协同效应，被理论计算支持为“巨型THG各向异性”的核心来源。
图4. 2D CTMI VOCl中THG面内大各向异性的机理
总体而言，这项工作将“强关联 CTMI 物理”与“可工程化的偏振非线性响应”在二维材料平台上紧密耦合：VOCl 在红外波段展现出纪录级的 THG 各向异性，并可通过激发波长实现宽带可调。研究团队在论文中明确指出，该类“巨型、可调 THG 各向异性”有望成为下一代偏振工程纳米光子器件的关键积木。如：
集成偏振分束器。
偏振选择的长波上转换探测器。
偏振超快激光与超快光子器件。
更广泛的纳米光子与光电应用路径：为二维强关联莫特体系进入器件化提供新通道。
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撰稿|课题组
