研究人员在ETH已设法使宽带频率所作无序的纳米晶体的光使用的微球加倍的有效材料。该方法的关键思想出现在喝咖啡休息时间期间。将来，新方法可能会用于激光和其他照明技术。

从显微镜到通过光纤到现代量子技术的数据传输，光在科学和工业中都发挥着重要作用。特别是在现代应用中，改变颜色（进而改变频率和波长）的方法非常重要。

这些方法需要使用非线性晶体。在这样的晶体中，特定频率的两个光子可以变成一个具有该频率两倍的光子，例如，两个红色变成单个蓝色。

但是，要使其正常工作，通常必须使光以特定方向和特定偏振入射到晶体上。这种所谓的相位匹配通常严重地限制了实际应用。

在纳米晶体制成的微小球体中，通过倍频将红光转换为蓝光。图片：Jolanda Mueller / ETH Zurich）

由量子电子研究所的ETH教授雷切尔·格兰奇（Rachel Grange）领导的一组研究人员，与材料系的卢西奥·伊萨（Lucio Isa）小组一起，现已开发出一种方法，通过该方法无需进行微调即可获得有效的倍频。与常规方法相比，还具有其他优点。

 看似不可调和的方法

研究人员的配方可以大致概括如下：小而不是大，乱七八糟比有序好。这听起来似乎很神秘，但是Grange团队设定的任务同样艰巨：“为了获得更好，更广泛应用的倍频，我们希望将两种方法结合在一起，”在Marie-Sklodowska-Curie研究金的框架内担任该项目的博士后。

在第一种方法中，不是使用单个大晶体，而是使用许多微型晶体的集合，这些微型晶体的单个晶体轴指向随机方向。这样，不再需要严格地控制入射光束的方向。在许多微晶体中，有些晶体取向良好，有些晶体取向不利，但总的来说，它们总是会产生大量的倍频光。

Savo承认：“这听起来违反直觉，而且我们的一些同事对以这种方式使用障碍的想法感到真正的困惑-但这确实有效！”

在微米级的球体内部，无序的纳米晶体将入射的红光翻倍成蓝光（左图）。蓝光发射到不同的空间方向（右）。图片：Romolo Savo / ETH Zurich）

第二种方法基于共振的增强作用。如果微型晶体的组件是球形的，例如直径大致等于光的波长，则通过重复反射来自球体壁的光波，球体内部的强度会不断增加。倍频光的产量。

因此，为了同时充分利用这两种效应，研究人员希望将无序的结晶粉末模制成微米级的球体，以利用光的共振增强作用。他们打算用于此目的的钛酸钡晶体必须非常小，尺寸只有50纳米左右，因此它们足够透明，可以使光多次通过并因此在微球中产生共振。

萨沃说：“因此，我们有这个好主意，但是对于如何将许多微小的纳米晶体变成完美的微球却一无所知。” “然后，有一天，我们在喝咖啡休息时间遇到了卢西奥·伊萨，向他讲述了我们的问题-他在那里为我们提供了一个主意。”

Isa的建议是将纳米晶体粉末溶解在水中，将溶液与油混合，最后用力摇动所有东西，这与用醋和油制成的醋汁类似。在通过该过程产生的乳液内部，将形成水晶体溶液的微小气泡，水逐渐从中蒸发穿过油。最终，剩下了无序的纳米晶体的完美形状的微小球体，这正是格兰奇和她的合作者所追求的。

过在油水乳液中产生充满晶体的水滴来组装微小的纳米晶体球。水蒸发，留下形状完美的球。图片：Romolo Savo / ETH Zurich）

格兰奇说：“从那一刻起，与伊莎团队的合作就开始了。”顺便说一句，这种事先没有计划的自发合作通常是最富有成果的。当然，我们立即尝试了伊萨的配方。”

 多功能性和材料节省

而且配方有效-甚至比人们预期的要好。Savo解释说：“由无序纳米晶体制成的微小球体的倍频与入射光的方向无关，并且在很宽的频率范围内起作用。这使其比常规晶体的倍频功能更加广泛。”

最重要的是，研究人员使用少70％的材料获得了相同倍频光的产量。与普通晶体相反，普通晶体的光产量不再增长到一定大小，而是随着微球的体积而不断增加。

 粉末制成的高质量激光晶体

现在，格兰奇和她的同事们希望进一步改进他们的方法，例如在微球和放置它们的载玻片之间添加一个垫片。这应该使光损失最小化。研究人员还开始考虑可能的应用。

从简单和廉价的纳米晶体粉末生产高性能非线性晶体的前景通常对于激光技术而言是令人感兴趣的。而且，有可能将微球散布在大面积上。这可能会导致产生一种新型显示器，该显示器通过倍频将红外范围内的图像直接转换为可见图像。这样的显示器可随后用于安全和生命科学应用的相机中。