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Giant electric field-induced second harmonic generation in polar skyrmions

电场 二次谐波产生 光子学 空中骑兵 铁电性 光电子学 极化(电化学) 激发 材料科学 相变 凝聚态物理 物理 极地的 光学 化学 电介质 量子力学 天文 物理化学 激光器
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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