苏州实验室PRL：二维非线性光学材料中的双激子共振效应

【研究背景】

非线性光与物质相互作用是指材料中微观电子体系对外加电磁场产生的高阶响应，包括谐波产生、自发参量下转换、体相光电流等物理现象，是集成光电器件、量子信息纠缠态光源、新型光伏器件等最前沿科学技术中的重要物理过程。由于目前国际上缺乏对非线性光电响应中量子多体效应等基础物理性质的理解，同时与其相关的新技术存在巨大应用前景，因此过去十年此领域备受关注。通常由于非线性过程强度较弱，往往采用体相材料以增加转换效率，但体相材料受到相位匹配条件约束以及难以集成等限制。而二维材料则是突破这些限制的潜在选择，寻找具有较高非线性响应系数的二维材料是光电器件材料设计的重要研究方向。

【成果导读】

近期，苏州实验室副研究员铉丰源与新加坡国立大学Su Ying Quek课题组合作，发展了第一性原理GW-Bethe-Salpeter-Equation(GW-BSE)方法用以计算二阶电极化率中的激子效应，突破了传统非线性光学性质计算中无相互作用近似的限制，揭示了电子-空穴多体相互作用对材料非线性光电性质的重要影响，并预测双激子共振现象。该工作以“Exciton-Enhanced Spontaneous Parametric Down-conversion in Two-Dimensional Crystals”为题发表在期刊Physical Review Letter上。

Fig 1:单层NbOX₂的原子结构、能带与光学吸收谱;(c e)中绿黄分别为Nb和X原子轨道投影 (b)中黑/红/蓝线分别为BSE/DFT/实验结果，(d,f)蓝红实线为BSE结果，蓝虚线为实验结果。

二维材料中由于电子-空穴之间的库伦屏蔽效应较弱，因而导致激子态（电子-空穴对的束缚态）的形成并深刻影响材料中多电子体系激发态的相关性质。传统密度泛函理论（DFT）无法准确预测激子态，而基于量子多体微扰论的GW-BSE方法通过计算电子-空穴间的直接库伦相互作用和屏蔽交换作用矩阵，可准确描述量子多体激发态。首先作者选取一类新型铁电材料（单层NbOX₂ X=I, Cl），其原子结构和能带如图1所示。图1b中可以看出，相较DFT，BSE对线性吸收谱的预测明显与实验符合更好，这体现出低维材料中激子效应对光学性质的主导作用。作者进一步计算了NbOI₂二次谐波产生系数，并发现二阶光电响应中BSE计算结果与实验测量结果吻合，而DFT结果与实验不符（图2d）。同时计算显示二维材料中电子-空穴强相互作用导致其非线性响应存在明显激子增强效应，而二次谐波产生系数的Lehmann表示可分解出两种激子共振形式：w-resonance和2w-resonance（图2和3中黑绿色竖线）。最后作者计算了单层NbOCl₂材料中影响单光子分裂成两低能光子的自发参量下转换过程响应系数（图3），并预测当材料中两类激子共振条件同时满足时，既图3b中黑色绿色竖线代表的两种激子共振位置重合时，可极大增强自发参量下转换效率。

Fig 2: (a-c) NbOI₂二次谐波产生系数的BSE计算结果，黑竖线分别为w-resonance强度；(d)二次谐波产生强度的极化图与实验数据比较，黑实线为BSE结果，蓝虚线为DFT结果，红散点为实验。

Fig 3: (a-d) NbOCl₂自发参量下转换系数的BSE计算结果，黑绿竖线分别为w-resonance和2w-resonance强度; (e-g)双激子共振条件示意图。

【小结】

该工作发展了第一性原理GW-BSE方法用以准确预测量子多体相互作用对二维材料非线性光学响应过程的影响，以新型铁电材料NbOX₂为例，作者成功解释了实验观察到的二次谐波产生强度与线性吸收谱，揭示了激子效应对非线性光学响应的增强原理，并预测二阶电极化响应中存在双激子共振现象，可用于指导寻找下一代超薄纠缠态光源材料。

文章信息：

Fengyuan Xuan, MingRui Lai, Yaze Wu, and Su Ying Quek “Exciton-Enhanced Spontaneous Parametric Down-conversion in Two-Dimensional Crystals”, Phys. Rev. Lett. 132, 246902 (2024), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.246902