世界上已知的最薄光学晶体来了

石英片上，厚度仅有1至3微米的转角菱方氮化硼晶体薄如蝉翼，能效却比传统光学晶体有了100倍至1万倍的提升——这是我国科学家发明的世界上已知最薄的光学晶体。4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式上，这一晶体作为重大成果发布。

图为熔融石英上的菱方氮化硼晶体。（受访者供图）

光学晶体是激光技术的“心脏”。“激光技术是我们当前科技文明的基石，在微纳加工、量子光源、生物监测等领域大放光彩。”北京大学物理学院教授刘开辉介绍，激光技术的突破高度依赖于一种特殊材料——光学晶体。

集成化、微型化、多功能化是未来激光器的发展方向。但传统光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光，因此制备更轻薄的光学晶体成为各国科学家竞相研发的焦点。

中国科学家经反复组合尝试，锁定轻巧的氮化硼为最优选择。然而实验发现，只是把氮化硼分子一层一层堆叠起来，当激光穿过时会发生“步调不一致”即相位失配现象，这将阻碍激光的高效输出，也就无法直接作为光学晶体用于激光器制造。

图为转角光学晶体原位加工和检测系统。（受访者供图）

北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士、凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授和洪浩特聘副研究员等研究人员创造了一种新的晶体设计方法：把每块菱方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定角度，堆叠而成的光学晶体就能降低激光穿过的能耗，高效产出所需的激光。

我国科学家首创的晶体设计理论与制备方法相结合，成功使光学晶体“瘦身”至1至3微米。而传统光学晶体厚度要在毫米级到厘米级。

研发团队将这一方法归纳为二维材料的界面转角理论。“该理论的应用有望让激光器的尺寸缩小至微米级。一些过去无法制造光学晶体的材料，也有望在材料堆叠角度的转动中再次焕发生机。”刘开辉对记者说。