清華新聞網(wǎng)7月31日電 7月24日，清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主安德烈?蓋姆團(tuán)隊(duì)合作在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上在線發(fā)表了題為《二維材料分散液的巨磁致雙折射效應(yīng)及磁控變色》（Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions）的研究論文。
該研究提出了一種基于寬帶隙磁性二維材料的雙折射液體的制備方法，所制備的摻鈷二維鈦氧化物晶體分散液呈現(xiàn)了巨磁致雙折射效應(yīng)，其磁光克頓-穆頓系數(shù)達(dá)1400T-2m-1，高出傳統(tǒng)雙折射液體近兩個(gè)量級(jí)。同時(shí)，本研究還從理論上闡釋了可調(diào)制透明干涉色出現(xiàn)的光學(xué)基礎(chǔ)是雙折射液體對(duì)偏振光的相位差調(diào)制需達(dá)到3π以上。本研究中的二維晶體分散液因同時(shí)具有高透光率及巨磁致雙折射效應(yīng)，故而在較低磁場(chǎng)下（<0.8T），實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏振光的大相位調(diào)制（8π）。因此，基于磁調(diào)控的透明干涉色現(xiàn)象被首次報(bào)道，其峰值波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)呈現(xiàn)了雙周期循環(huán)。本研究采用的摻鈷二維鈦氧化物材料可以拓展至其他寬帶隙磁性二維材料體系，以及透明鐵磁液晶體系。該工作加深了研究人員對(duì)磁光克頓-穆頓效應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，在拓展二維材料在光學(xué)調(diào)制、生物醫(yī)學(xué)、探測(cè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面具有一定的指導(dǎo)意義。
當(dāng)前，以傳統(tǒng)有機(jī)液晶為代表的雙折射液體因具有極大的電光科爾效應(yīng)（Δn=KλE2，Δn為雙折射率，λ為波長(zhǎng)，K為電光科爾系數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度）而被廣泛應(yīng)用于各種光電器件中，如液晶顯示、調(diào)色器、智能門窗等。相比于電驅(qū)動(dòng)，磁驅(qū)動(dòng)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如與材料無(wú)接觸、場(chǎng)區(qū)均勻、對(duì)材料無(wú)破壞及零能耗等。然而相較于有機(jī)液晶的電光科爾效應(yīng)，大多數(shù)傳統(tǒng)的雙折射液體，其磁光克頓-穆頓效應(yīng)（Δn=CλB2，C為磁光克頓-穆頓系數(shù)，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度）十分微弱，所需磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)較高，通常需達(dá)到幾個(gè)特斯拉的強(qiáng)度，而該強(qiáng)度只能由成本高昂、高能耗、體積巨大的超導(dǎo)磁體才能提供，因此無(wú)法滿足實(shí)用化的需求。另一方面，基于鐵流體的雙折射液體，因其具有超靈敏的磁響應(yīng)而被發(fā)現(xiàn)具有巨磁光克頓-穆頓效應(yīng)，有望滿足低磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶的基本需求，然而鐵流體顆粒對(duì)可見(jiàn)光的吸收十分強(qiáng)烈，極大地限制了光程。考慮到偏振光相位差的產(chǎn)生是由雙折射率和光程的乘積所共同決定的，因此高光學(xué)吸收導(dǎo)致了鐵流體雙折射液體無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)偏振光的大相位調(diào)制。因此，開(kāi)發(fā)一種兼具高透明和大磁光克頓-穆頓效應(yīng)的雙折射液體，是實(shí)現(xiàn)液晶光調(diào)制功能從電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)邁向磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的前提。與此同時(shí)，磁性二維材料的快速發(fā)展為突破該瓶頸帶來(lái)了重大希望。這是因?yàn)榇判远S材料具有極大的幾何各向異性，以及與之緊密關(guān)聯(lián)的大磁學(xué)各向異性和光學(xué)各向異性。
本文正是基于該想法，采用了一種以磁性元素鈷摻雜的二維鈦氧化物納米片為代表的寬帶隙磁性二維材料做雙折射液體的活性材料。所采用的二維材料幾何各向異性比（橫向尺寸除以厚度）達(dá)到了103的量級(jí)，高出棒狀液晶和一維材料液晶一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由此帶來(lái)了高雙折射率和高各向異性的磁化率。在0~0.2T的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)，雙折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方呈現(xiàn)了完美的線性關(guān)系，證實(shí)了磁光克頓-穆頓效應(yīng)（Δn=CλB2）的存在。通過(guò)對(duì)該線性區(qū)間的擬合，得到了C值為1400T-2m-1，高出其他低維材料液晶近兩到三個(gè)量級(jí)。其中所述的0.2T磁場(chǎng)完全可以由兩個(gè)紐扣大小的永磁體提供，有望全面發(fā)揮上面所述磁驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。此外該二維材料分散液還因具有高透光率，其在正交偏振片下，呈現(xiàn)與磁場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)的透射干涉色現(xiàn)象，這是研究人員首次觀察到透射干涉色的磁調(diào)控現(xiàn)象。為將來(lái)透射式顏色領(lǐng)域的諸多新應(yīng)用打開(kāi)了大門，如可視化磁傳感、透明彩色打印、磁調(diào)控濾色膜等。
圖1 基于寬帶隙磁性二維材料分散液的磁致透射干涉色效應(yīng)
圖2 二維材料在磁場(chǎng)中排布方式及磁致透射干涉色實(shí)現(xiàn)機(jī)理
圖3 正交偏振片下二維材料分散液的磁致透射干涉色量化表征及理論擬合
圖4 正交偏振下二維材料分散液磁光克頓-穆頓效應(yīng)理論擬合
論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院研究科學(xué)家丁寶福博士、曼徹斯特大學(xué)博士生鄺文俊，論文共同通訊作者為劉碧錄副教授、成會(huì)明教授及安德烈?蓋姆教授。論文作者還包括潘意坤及英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授伊莉娜·格力高瑞娃（IrinaGrigorieva）。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委以及深圳市工信局、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門支持。
論文原文鏈接：
DingBF, et al., Nature Communications, 2020, 11, 3725.
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17589-4
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：程曦
