非线性光学-超材料 | Nature Photonics

天然存在的晶体中，原子和分子结构反转对称性破缺决定了晶体的物理性质，包括非线性光学nonlinear optical (NLO) 效应、压电性或铁电性以及非互易电荷传输行为。对于纳米尺度构建单元（即超原子）组成的超材料metamaterials，晶面planar表面上的空间反转对称性破缺，会产生自旋控制的光子学，以及非线性光学超表面。

在合成方面，可以合成低对称性的3D超晶体metacrystals，但是到目前为止，还没有确定非线性光学NLO行为（例如，谐波产生）。

近日，美国 西北大学（Northwestern University）Ye Zhang，Koray Aydin & Chad A. Mirkin等，在Nature Photonics上发文，报道了利用DNA介导的八面体等离激元金纳米晶体组装，设计和合成了非中心对称和中心对称的胶体晶体。

虽然中心对称结构没有表现出显著的二次谐波产生，但非中心对称晶体，却表现出了显著的二次谐波产生——这是等离子体热点中局部电场不对称分布的结果。

这种非中心对称非线性光学NLO超晶体，代表了自下而上方法开发的3D非线性光学NLO超材料，表现出了10E-9的最大二次谐波产生转换效率，超过了在大多数等离子体激元2D超表面中观察到的效率。最后，粒子构建单元上的DNA加载密度，可用于在中心对称和非中心对称相之间转换。

Nonlinear optical colloidal metacrystals.非线性光学胶体超晶体

图1:具有可控对称性的DNA编程胶体晶体生长设计，以及通过SEM表征结构。

图2: 非中心对称胶体晶体的二次谐波产生实验。

图3: 非中心对称超晶格的模拟电场图。

图4:具有不同对称性的三种超晶格的二次谐波Second-harmonic generation，SHG响应。

图5: 非线性光学nonlinear optical，NLO超晶体的二次谐波SHG转换效率和有效 χ(2)概述。