光能让二维半导体中的原子移动？重大突破来了！

这种现象存在于一种名为Janus材料的TMDs（过渡金属硫族化合物）亚型中，该材料以与转变相关的罗马神祇命名。它们的光敏特性有望支持未来依赖光信号而非电流的技术，包括速度更快、散热更好的计算机芯片、高响应传感器以及柔性光电子系统。

该研究的第一作者、莱斯大学博士毕业生张坤燕（Kunyan Zhang）表示：“在非线性光学中，光可以被重塑以产生新的颜色、更快的脉冲或控制信号开关的光开关。二维材料仅有几个原子厚，这使得在非常小的尺度上构建这些光学工具成为可能。”

### Janus材料的独特之处
TMDs由过渡金属（如钼）的堆叠层和两层硫族元素（如硫或硒）构成。它们兼具导电性、强吸光性和机械柔韧性，使其成为下一代电子和光学器件的关键候选材料。

在这一类材料中，Janus材料因其顶层和底层原子层由不同化学元素组成而与众不同，这赋予了它们不对称结构。这种不平衡产生了内置电极性，并增强了它们对光和外力的敏感性。

张坤燕说：“我们的研究探索了Janus材料的结构如何影响其光学行为，以及光本身如何在材料中产生力。”

### 用激光探测原子运动
为了研究这种行为，研究团队将不同颜色的激光束照射在一种双层Janus TMD材料上，该材料由硫化硒钼堆叠在二硫化钼上构成。他们通过二次谐波产生（SHG）过程来研究材料如何改变光——在这个过程中，材料会发射出频率为入射光束两倍的光。当入射激光与材料的自然共振频率匹配时，通常的SHG图案会发生畸变，这表明原子正在移动。

张坤燕说：“我们发现，将光照射在Janus硫化硒钼和二硫化钼上会在材料内部产生微小的定向力，这些力表现为SHG图案的变化。通常，SHG信号会形成一个反映晶体对称性的六瓣‘花’形图案。但当光推动原子时，这种对称性会被打破——图案的花瓣会不均匀地收缩。”

### 光致伸缩与层间耦合
研究人员将SHG畸变追溯到光致伸缩——即光的电磁场对原子施加机械力的过程。在Janus材料中，层间的强耦合放大了这种效应，使得即使是极小的力也能产生可测量的应变。

张坤燕说：“Janus材料是实现这一目标的理想选择，因为它们不均匀的成分增强了层间耦合，使其对光的微小力更敏感——这些力非常小，难以直接测量，但我们可以通过SHG信号图案的变化来检测它们。”

### 未来光学技术的潜力
这种高敏感性表明，Janus材料有望成为多种光学技术中的重要组件。利用这种机制引导或控制光的器件可能会催生速度更快、能效更高的光子芯片，因为基于光的电路比传统电子电路产生的热量更少。类似的特性可用于制造能检测极小振动或压力变化的精密传感器，或开发用于先进显示器和成像系统的可调光源。

该研究的通讯作者、莱斯大学电气与计算机工程以及材料科学与纳米工程副教授黄圣希（Shengxi Huang）表示：“这种主动控制有助于设计下一代光子芯片、超灵敏探测器或量子光源——这些技术利用光来携带和处理信息，而非依赖电。”黄圣希还隶属于斯莫利-柯尔研究所、莱斯先进材料研究所和肯·肯尼迪研究所。

### 微小结构失衡的巨大影响
通过展示Janus TMDs的内部不对称如何创造影响光流动的新方式，该研究表明，微小的结构差异可以开启重要的技术机遇。

这项研究得到了美国国家科学基金会（2246564、1943895）、美国空军科学研究办公室（FA9550-22-1-0408）、韦尔奇基金会（C-2144）、美国能源部（DE‐SC0020042、DE-AC02-05CH11231）、美国空军科学研究办公室（FA2386-24-1-4049）以及中国台湾地区教育部门的支持。本文内容仅由作者负责，不一定代表资助组织和机构的官方观点。