Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal

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作者
Qiangbing Guo,Xiao‐Zhuo Qi,Lishu Zhang,Meng Gao,Sanlue Hu,Wenju Zhou,Wenjie Zang,Xiaoxu Zhao,Junyong Wang,Bingmin Yan,Mingquan Xu,Yunkun Wu,Goki Eda,Zewen Xiao,Shengyuan A. Yang,Huiyang Gou,Yuan Ping Feng,Guang‐Can Guo,Wu Zhou,Xi‐Feng Ren
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:613 (7942): 53-59 被引量:295
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05393-7
摘要

Interlayer electronic coupling in two-dimensional materials enables tunable and emergent properties by stacking engineering. However, it also results in significant evolution of electronic structures and attenuation of excitonic effects in two-dimensional semiconductors as exemplified by quickly degrading excitonic photoluminescence and optical nonlinearities in transition metal dichalcogenides when monolayers are stacked into van der Waals structures. Here we report a van der Waals crystal, niobium oxide dichloride (NbOCl2), featuring vanishing interlayer electronic coupling and monolayer-like excitonic behaviour in the bulk form, along with a scalable second-harmonic generation intensity of up to three orders higher than that in monolayer WS2. Notably, the strong second-order nonlinearity enables correlated parametric photon pair generation, through a spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process, in flakes as thin as about 46 nm. To our knowledge, this is the first SPDC source unambiguously demonstrated in two-dimensional layered materials, and the thinnest SPDC source ever reported. Our work opens an avenue towards developing van der Waals material-based ultracompact on-chip SPDC sources as well as high-performance photon modulators in both classical and quantum optical technologies1–4. A van der Waals crystal, niobium oxide dichloride, with vanishing interlayer electronic coupling and considerable monolayer-like excitonic behaviour in the bulk, as well as strong and scalable second-order optical nonlinearity, is discovered, which enables a high-performance quantum light source.
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