近期，杭州北航国际创新研究院自旋芯片与技术全国重点实验室赵巍胜教授、北航集成电路科学与工程学院张悦教授研究团队采用超快时间分辨泵浦-探测技术，在非对称(011)-VO2/TiO2体系中实现了强相干纵向及剪切声学声子的激发，并基于该超快相干声子实现了对亚太赫兹频率下的正负双折射调制。相关成果以“Birefringence modulation via intense coherent phonons engineering with asymmetric VO2/TiO2 heterostructures”为题发表在国际一流期刊《Materials Today Physics》上。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院在读博士研究生王子岳为论文第一作者，张悦教授、张帆副研究员、洪宾副研究员等为共同通讯作者。
利用双折射效应的声光器件在现代光学中占据重要地位。然而，传统声光器件中来自射频驱动器的振荡电信号将应变声波的频率限制在MHz量级，声波的波长则限制在微米级别。这一限制阻碍了未来GHz-THz频率下运行的纳米器件的发展。幸运的是，飞秒激光激发的相干声学声子以其高强度、GHz-THz频率和纳米级空间分辨率等优势实现的超快应变工程能够瞬时改变晶格序，从而调控材料光电性质。这种低维超快技术为研究新型超快声光器件提供了新的思路。
研究团队利用自主设计的激光分子束外延系统制备出高质量的VO2/TiO2薄膜，前期研究表明声阻抗匹配及界面晶格匹配可以诱导增强的相干声脉冲，团队发现使用VO2作为换能层相干声子可以达到∼90%效率传播到TiO2晶体中。并在非对称(011)-VO2/TiO2异质结构中，使用超快激光脉冲产生具有高强度，高频，低阻尼的相干剪切和纵向声学声子。激发出的剪切声子的强度可与纵向声子相比拟，这突破了以往强剪切声子仅仅出现在少数压电材料以及二维材料的限制（如图1所示)。
图1 飞秒激光诱导的（011）-VO2/TiO2异质结中强相干剪切声子（80 GHz）和纵向声子（161 GHz）。
通过第一性原理计算发现超快强相干剪切声子以及纵向声子显著该改变了TiO2晶体结构，对折射率各向异性产生了巨大调制，进而实现出正负双折射的转换（如图2所示）。这一超快新颖的双折射调制技术对未来高速高集成化背景下信号处理和通信奠定了技术基础。
图2 相干声子对晶格结构及折射率各向异性的调制。
这一研究展示了非对称VO2/TiO2异质结构在超快声学声子激发和双折射调制方面的巨大潜力，不仅丰富了声学声子与材料光电性质相互作用的理论体系，还为开发新型超快声光器件提供了实验依据和理论支持。未来，基于这种双折射调制技术的声光器件有望在高速光通信、光信号处理、光存储等领域发挥重要作用，推动信息技术的进一步发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101533
