手性非線性光學晶體是指同時具有中心反演對稱性破缺和鏡面對稱性破缺的晶體材料。這類晶體不僅可以産生高效的非線性頻率轉換，而且對左旋和右旋圓偏振光響應不同，具備獨特的參量光偏振态調控功能，其在光學加密和安全防護、非線性全息成像以及量子信息處理等多個前沿應用領域中有重要作用。然而，傳統非線性光學晶體單晶的手性效應通常極弱，而利用手性分子組裝的人工晶體的轉換效率又普遍很低。因此，開發高穩定、高非線性、高手性光學活性的晶體材料，是推動新一代手性光電子學技術突破的關鍵。

針對上述挑戰，研究團隊發現一維多壁氮化硼納米管是實現強手性非線性光學響應的理想材料。氮化硼納米管具備高度穩定的物理化學性質，其激光損傷阈值與傳統光學晶體相當，而非線性系數要高1-2個量級。研究發現氮化硼納米管具有獨特的層間相幹堆垛結構，不同管壁具有相同的手性、螺旋性和極性。這種相幹堆垛結構保證了每一層管壁産生的參量光具有相同的光學相位，總信号随管壁的層數非線性增加。單根氮化硼納米管二次諧波轉換效率高達~0.01%，輸出功率~1.5μW，輸出光斑裸眼清晰可見。納米管的手性結構附加參量光額外的非線性幾何相位，帶來-0.7到+0.7連續可調的非線性圓二色性。本工作的研究發現為手性光電子學領域帶來了全新的材料體系，有望推動小型化、高集成的手性非線性光源和探測器技術突破。

圖1. a,二維氮化硼卷曲成一維氮化硼納米管的示意圖。b,相幹堆垛的多壁氮化硼納米管中管壁之間具有相同的手性、螺旋性和極性。c-e,多壁氮化硼納米管高效二次諧波輸出（c-d）和連續可調二次諧波圓二色性（e）。

beat365博士後馬超傑、劉暢和博士生馬辰俊、郭泉林為論文共同第一作者；beat365劉開輝教授和洪浩特聘副研究員為論文共同通訊作者。論文合作者還包括beat365王恩哥院士、高鵬教授、吳慕鴻副研究員，中國科學院物理研究所白雪冬研究員、王文龍研究員，芬蘭阿爾托大學孫志培教授等。

研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、新基石科學基金會科學探索獎等相關項目及beat365人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、輕元素先進材料研究中心、電子顯微鏡實驗室與松山湖材料實驗室等的大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01685-3