納米物理學：石墨烯中的電可調三階非線性光學響應？
對二維材料的研究重點已經加強，它具有調節光線以獲得卓越性能的潛力，並實現了可以增強現有技術的應用。石墨烯是最著名的2-D材料，衍生自3-D石墨，構成單層碳原子，排列成二維六方晶格，表現出強大的超寬帶光物質相互作用，能夠在極寬的光譜下工作範圍，適用於下一代光子學和光電器件。石墨烯的獨特電子特性源自狄拉克錐，電子帶結構的特徵，其承載零有效質量的電荷載體，所謂的無質量狄拉克費米子，以二維材料出現。材料科學家目前正處於實驗初期階段，以實現石墨烯非線性光學響應的許多有趣特性，以幫助其破壞現有技術並促進廣泛應用的承諾。
非線性光學系統的誕生歸功於彼得·弗蘭肯（Peter Franken）及其同事使用脈衝紅寶石雷射器進行的實驗，其中他們首次觀察到二次諧波產生（SHG，倍頻）的非線性效應。光學非線性的動態控制仍然局限於研究實驗室作為目前的光譜工具。
現在寫自然光子學，陶江等。據報導，可以使用電柵極電壓在石墨烯中廣泛調諧非線性三次諧波產生（THG，三倍頻）。這有許多潛在的應用 - 石墨烯和其他2-D石墨烯類材料的柵極可調，非線性光學機制對於設計具有極高速度和互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容性的未來片上光子和光電應用是理想的。用於器件製造。之前在其他二維材料中報導了電可調諧二次諧波產生，例如二硒化鎢（WSe2雖然光譜帶寬有限，但是有激子。實驗上，調整石墨烯的輸入頻率或化學勢（Ef）可以提供關於三階非線性光學響應的詳細信息，迄今為止在理論上已經提出。
三階非線性過程也稱為四波混頻，因為它們混合三個場以產生第四個。Jiang等人的最新結果。源自於調節石墨烯的化學勢（Ef）的能力，並且對於給定的輸入頻率組，通過離子 - 凝膠門控（也稱為柵極控制的摻雜）電接通或斷開單光子和多光子諧振躍遷。實驗結果與理論計算吻合良好，為理解石墨烯和石墨烯類Dirac材料中的三階非線性光學過程提供了堅實的基礎。
柵極可調諧THG的工作帶寬範圍為~1300nm至1650nm，覆蓋了1550nm處光纖通信的最常見光譜範圍。這種寬的操作帶寬是由石墨烯Dirac費米子的能量分布引起的。該觀察類似於Nature Nanotechnology中發表的一項平行調查，用於電控石墨烯的THG效率（THGE），同樣歸因於無質量Dirac費米子。總的來說，實驗觀察到的石墨烯的寬帶柵極可調諧光學非線性提供了一種在實踐中構建電可調非線性光學器件的新方法。
例如，現有的電子互連（銅纜）由於性能限制而遭受帶寬損失，阻礙了媒體流，雲計算和物聯網（IoT）所需的加速信息處理。越來越需要調節光並開發緊湊，成本有效，高性能的光學互連以獲得更高的帶寬和更低的損耗。
未來的研究工作可能會使用包括波導/光纖集成和光學諧振器在內的各種方法來增強觀察到的效果。此外，各種極化子和光子超材料可以提供二維材料中光學非線性的局部增強和操縱，以創建表面等離子體，並利用先進的光學解決方案解決非線性納米光子學和納米物理器件開發的預見挑戰。
該知識可以擴展到石墨烯中的其他非線性光學過程，包括高次諧波產生。由於其相對小的非線性光學敏感性以及複雜且昂貴的製造和集成方法，傳統塊狀晶體的現有技術已經達到了實現所設想的光電應用的技術極限。在二維材料中證明了非線性光學相互作用增強理想情況下，應與大規模和高質量的二維材料生產一起開發，以實現完全不同的電可調納米器件構造方法。這種納米器件可以促進計量，傳感，成像，量子技術和電信中提出的進步。