清華新聞網(wǎng)7月31日電 7月24日，清華-伯克利深圳學院劉碧錄、成會明團隊與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈?蓋姆團隊合作在《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，其磁光克頓-穆頓系數(shù)達1400T-2m-1，高出傳統(tǒng)雙折射液體近兩個量級。同時，本研究還從理論上闡釋了可調制透明干涉色出現(xiàn)的光學基礎是雙折射液體對偏振光的相位差調制需達到3π以上。本研究中的二維晶體分散液因同時具有高透光率及巨磁致雙折射效應，故而在較低磁場下（<0.8T），實現(xiàn)了對偏振光的大相位調制（8π）。因此，基于磁調控的透明干涉色現(xiàn)象被首次報道，其峰值波長在可見光范圍內呈現(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磁光克頓-穆頓效應機理的認識，在拓展二維材料在光學調制、生物醫(yī)學、探測監(jiān)測等領域的應用方面具有一定的指導意義。
當前，以傳統(tǒng)有機液晶為代表的雙折射液體因具有極大的電光科爾效應（Δn=KλE2，Δn為雙折射率，λ為波長，K為電光科爾系數(shù)，E為電場強度）而被廣泛應用于各種光電器件中，如液晶顯示、調色器、智能門窗等。相比于電驅動，磁驅動具有一系列獨特的優(yōu)勢，如與材料無接觸、場區(qū)均勻、對材料無破壞及零能耗等。然而相較于有機液晶的電光科爾效應，大多數(shù)傳統(tǒng)的雙折射液體，其磁光克頓-穆頓效應（Δn=CλB2，C為磁光克頓-穆頓系數(shù)，B為磁場強度）十分微弱，所需磁場驅動較高，通常需達到幾個特斯拉的強度，而該強度只能由成本高昂、高能耗、體積巨大的超導磁體才能提供，因此無法滿足實用化的需求。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而被發(fā)現(xiàn)具有巨磁光克頓-穆頓效應，有望滿足低磁場驅動液晶的基本需求，然而鐵流體顆粒對可見光的吸收十分強烈，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，因此高光學吸收導致了鐵流體雙折射液體無法實現(xiàn)針對偏振光的大相位調制。因此，開發(fā)一種兼具高透明和大磁光克頓-穆頓效應的雙折射液體，是實現(xiàn)液晶光調制功能從電場驅動邁向磁場驅動的前提。與此同時，磁性二維材料的快速發(fā)展為突破該瓶頸帶來了重大希望。這是因為磁性二維材料具有極大的幾何各向異性，以及與之緊密關聯(lián)的大磁學各向異性和光學各向異性。
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）達到了103的量級，高出棒狀液晶和一維材料液晶一到兩個數(shù)量級。由此帶來了高雙折射率和高各向異性的磁化率。在0~0.2T的磁場驅動范圍內，雙折射率與磁場強度的平方呈現(xiàn)了完美的線性關系，證實了磁光克頓-穆頓效應（Δn=CλB2）的存在。通過對該線性區(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量級。其中所述的0.2T磁場完全可以由兩個紐扣大小的永磁體提供，有望全面發(fā)揮上面所述磁驅動的優(yōu)勢。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)與磁場一一對應的透射干涉色現(xiàn)象，這是研究人員首次觀察到透射干涉色的磁調控現(xiàn)象。為將來透射式顏色領域的諸多新應用打開了大門，如可視化磁傳感、透明彩色打印、磁調控濾色膜等。
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
圖2 二維材料在磁場中排布方式及磁致透射干涉色實現(xiàn)機理
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-穆頓效應理論擬合
論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學院研究科學家丁寶福博士、曼徹斯特大學博士生鄺文俊，論文共同通訊作者為劉碧錄副教授、成會明教授及安德烈?蓋姆教授。論文作者還包括潘意坤及英國曼徹斯特大學教授伊莉娜·格力高瑞娃（IrinaGrigorieva）。該研究由國家自然科學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：深圳國際研究生院
編輯：程曦
