Giant electric field-induced second harmonic generation in polar skyrmions

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作者
Sixu Wang,Wei Li,Chenguang Deng,Zijian Hong,Hanbin Gao,Xiaolong Li,Yueliang Gu,Qiang Zheng,Yongjun Wu,Paul G. Evans,Jing‐Feng Li,Ce‐Wen Nan,Qian Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45755-5
摘要

Electric field-induced second harmonic generation allows electrically controlling nonlinear light-matter interactions crucial for emerging integrated photonics applications. Despite its wide presence in materials, the figures-of-merit of electric field-induced second harmonic generation are yet to be elevated to enable novel device functionalities. Here, we show that the polar skyrmions, a topological phase spontaneously formed in PbTiO3/SrTiO3 ferroelectric superlattices, exhibit a high comprehensive electric field-induced second harmonic generation performance. The second-order nonlinear susceptibility and modulation depth, measured under non-resonant 800 nm excitation, reach ~54.2 pm V-1 and ~664% V-1, respectively, and high response bandwidth (higher than 10 MHz), wide operating temperature range (up to ~400 K) and good fatigue resistance (>1010 cycles) are also demonstrated. Through combined in-situ experiments and phase-field simulations, we establish the microscopic links between the exotic polarization configuration and field-induced transition paths of the skyrmions and their electric field-induced second harmonic generation response. Our study not only presents a highly competitive thin-film material ready for constructing on-chip devices, but opens up new avenues of utilizing topological polar structures in the fields of photonics and optoelectronics.
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