光學二次諧波産生（SHG）是一種重要的非線性光學效應，自上世紀60年代發現以來被廣泛應用在多種激光器與光電子器件中，同時作為表征分析手段在材料科學、生命科學等研究領域中也具有重要應用價值。近年來，随着電光調制器、全光開關、頻率梳、量子光源等新興集成光子學器件的發展，對研發具有高SHG調制性能的材料平台提出了要求和挑戰。通常來說，傳統鐵電材料具有SHG效應，在外加電場作用下其内部可發生電疇翻轉、晶格畸變等過程，因而可誘導SHG響應強度的變化。然而上述機制存在二階非線性系數較低導緻SHG強度低，調制深度低、調制速率慢，以及伴生的遲滞、疲勞問題等缺點，限制了傳統鐵電材料在SHG調制方面的應用。
近年來，在PbTiO3/SrTiO3等超晶格體系中發現的極性拓撲結構作為一種新型鐵電材料進入了研究者的視野。極性斯格明子具有獨特的納米尺度極化構型以及拓撲保護性質，為其光電性能調控提供了全新機遇。在外加電場作用下，斯格明子中的離子極化位移産生集體相幹的、短程而有規律的變化，改變晶格的宏觀對稱性，産生電場誘導二次諧波産生效應（EFISH）效應。這一效應不涉及疇壁形成與運動等過程，因此有望實現具有高調制深度、高調制速率、長循環壽命、寬溫度區間的SHG調制器件。這一方面可以解決前述目前SHG調制器件的性能制約，拓展其應用前景；另一方面，将加深對極性拓撲結構的非線性光學性質及其調控機制的理解，有望開拓出全新的集成光子學器件研究方向。
針對上述關鍵問題，beat365李千副教授課題組制備了具有高度有序化極性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜，實現了對極性斯格明子體系中EFISH效應的驗證。課題組與國家納米科學中心鄭強研究員、浙江大學/浙江大學台州研究院洪子健研究員團隊合作開展了電鏡顯微表征、相場理論模拟研究，深入闡明了極性斯格明子EFISH效應的微觀機制（圖1a）。研究中使用脈沖激光沉積生長出高質量的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜，并通過同步輻射X射線衍射倒易空間圖（圖1b）和球差校正透射電鏡（圖1c-g）驗證其中存在有序化的極性斯格明子。在原位EFISH測試中（圖2a-b），随着外加電壓的上升，SHG強度随之上升，最高獲得664% V-1的EFISH調諧率。進一步的實驗和模拟結果揭示了極性斯格明子在不同方向外加電場作用下迥異的變化過程。當薄膜上電極施加正電壓時，斯格明子收縮，從初始狀态（圖2c，中）向面外疇轉變（圖2c，右），從而導緻原有僞中心對稱性被破壞（圖2d），産生較強的SHG響應；當薄膜上電極施加負電壓時，斯格明子膨脹，相互接觸後合并變為迷宮狀（圖2c，左），向面外疇轉變的路徑與正電壓時不同，因而産生了不同的SHG響應。對比多種不同的EFISH材料體系或器件的調諧率和二階非線性系數（圖2e），其中極性斯格明子的調諧率為目前已報道的各類材料中的最高值。本工作驗證了一種具有巨大EFISH效應的極性斯格明子體系，進一步厘清了其晶體結構、極化構型和SHG響應的關聯，對新型非線性集成光子學材料平台的研發進程作出了重要推動。
圖1.具有有序化極性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格的結構特征
圖2.極性斯格明子EFISH效應的實驗發現和理論解釋
相關成果以“極性斯格明子的巨大電場誘導二次諧波産生效應”（Giant electric field-induced second harmonicgeneration in polar skyrmions）為題，近期在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。其中超晶格制備與非線性光學器件設計方法已提交PCT國際發明專利申請。
beat3652020級博士生王思旭、2021級博士生李為為論文的共同第一作者，李千、鄭強、洪子健為論文的通訊作者，論文的其他重要合作者包括beat365南策文院士、李敬鋒教授，上海同步輻射光源李曉龍研究員，美國威斯康星大學麥迪遜分校保羅·埃文斯（Paul G.Evans）教授，浙江大學吳勇軍教授等。研究得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、原創探索計劃項目、科技部重點研發計劃、北京市自然科學基金等的資助。
論文鍊接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45755-5