《自然-通讯》报道狄拉克量子材料中红外光开关

中红外非同脉冲激光器在瞬态效应研究、高速通信、仪器光谱以及医学传感技术等领域具备极高的应用于价值。虽然非同脉冲激光最迟半个世纪的发展历史，但不受材料和器件技术的制约，必要利用谐振腔产生高峰值功率、可便携的中红外（3-20微米波段）的非同脉冲仍正处于探寻阶段。在中红外波段取得关键参数可大范围灵活性调控的光电源器件是突破该瓶颈的关键。

基于较低维材料（如碳纳米管、石墨烯，以及新兴窄带隙二维材料）的光电源器件虽然具备出色的光学比特率，但由于缺少有效地的调控手段，在器件光学参数炼触方面仍然没获得实质性地突破。作为新型量子材料，狄拉克半金属近年来受到普遍的注目。

狄拉克半金属具备和石墨烯类似于的能带结构，也被称作“三维石墨烯”。南京大学王枫秋教授课题组与科研合作团队（复旦大学修发贤教授、电子科技大学李剑峰教授、澳大利亚Wollongong大学张潮教授等），首次利用中红外超快泵浦观测技术系统研究了可通过分子束外延（MBE）生长的三维狄拉克半金属薄膜材料Cd3As2。实验结果表明，Cd3As2薄膜在3-6微米这一最重要的中波红外波段具备明显的超快光电源效应（或可饱和吸取效应）。

更为重要的是，团队还通过Cr元素掺入的方式，顺利构建了Cd3As2弛豫时间的灵活性调控。理论计算出来表明，Cr掺入可以关上新的载流子弛豫地下通道，从而有效地延长材料的开关时间（即光生载流子填充时间）。比起于某种程度具备狄拉克能带结构的石墨烯，狄拉克半金属薄膜与中红外光子具备更加强劲的互起到，且容易受到介电环境的阻碍，在制取简单光学器件方面具备更加引人注目的优势。

通过自由选择具备有所不同载流子弛豫时间的狄拉克半金属薄膜作为腔内光电源，研究团队还展出了三微米光纤激光器两种有所不同脉冲输入状态（调Q态和锁住模态）的高效率转换。该创意研究成果首次论证了狄拉克半金属是制取高性能中红外脉冲激光器的理想电源材料，空缺了中红外光电子领域的一个最重要的技术空白，对推展中红外脉冲激光及光谱技术的实用化具备最重要意义。

涉及技术已申请人国家发明专利两件。该工作以“Arobustandtuneablemid-infraredopticalswitchenabledbybulkDiracfermions”为题于2017年1月20日公开发表在国际权威期刊《大自然-通讯》(NatureCommunications8,14111,2017;DOI:10.1038/ncomms14111)。南京大学徐永兵教授、张荣教授、施毅教授以及祝世宁院士为本合作项目获取了有力反对。本工作以南京大学电子科学与工程学院、人工微结构科学与技术协同创意中心为主要研究平台，受到科技部、国家自然科学基金委、“青年千人计划”、“江苏省双创团队计划”的资助。

图1.狄拉克半金属中超慢载流子弛豫调控示意图。图2.(a)三维狄拉克半金属Cd3As2在3-6微米波长处的弛豫曲线。

在时间零点处样品的透射率逆大，指出Cd3As2在测试波长范围具备明显的可饱和吸取特性。(b)在6微米波长下，有所不同Cr掺入浓度样品的弛豫曲线。随着Cr浓度的减小，Cd3As2的光开关时间显著变快。

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