在量子光学中，一个光子在能量和动量守恒下裂变成一对相关光子的过程被称之为自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion, SPDC)。这种二阶非线性光学(second-order nonlinear optical, NLO)过程被认为是现代量子技术中量子光源的核心，可以用于制备彼此之间存在量子纠缠的光子对。目前，基于SPDC过程的量子光源主要由具有二阶非线性光学特性的三维块体晶体（如硼酸钡或铌酸锂）实现，然而，块体材料中三维共价键的存在以及相对较弱的非线性在本质上对混合集成量子光学是不利的。二维层状材料由于具有独特的范德华结构，可以摆脱晶格及加工的限制实现无键集成。此外，二维层状范德华材料还显示出强的多体电子效应以及宽松的相位匹配条件，导致其在二维极限下有较大的光学非线性，从而在集成二次非线性光学的光电器件和光学器件领域引发了强烈关注。
对于二维层状材料而言，其非线性转化效率受限于原子级的光-物质相互作用长度，因此，虽然单层过渡金属二硫化物具有极高的二阶极化率，但是其绝对的光-物质相互作用强度太弱而无法实际应用。此外，许多二维层状材料的非线性转化率并不会随着厚度的增加而线性增加，这是由于二维层状材料的对称中心会随着层数的变化而改变。当二维半导体由单层堆垛成范德华结构时，其层间电子耦合及介电屏蔽会导致二维半导体中的电子结构随厚度增加而发生显著演变以及激子效应的衰减，从而对二维范德华材料的非线性光学特性带来不利影响。因此，为了适应快速发展的混合集成光子平台，亟需开发不受材料厚度影响的具有二阶非线性光学特性的二维范德华材料。
近日，中国科学院大学周武教授课题组与新加坡国立大学Andrew T. S. Wee教授课题组、Stephen J. Pennycook教授课题组、邱成伟教授课题组、中国科学技术大学任希锋教授课题组合作制备了一种可用于超薄量子光源的NbOCl2二维非线性光学晶体。得益于该晶体极弱的层间电子耦合与几乎不随厚度衰减的激子效应，薄层NbOCl2材料能够产生极强的二次谐波信号（比单层WS2高三个数量级），在46nm的NbOCl2薄片中即能明确观察到通过SPDC过程产生的非经典参数光子对，SPDC效率优值高达9800 GHz W-1 m-1。这是第一个在二维材料中明确演示的SPDC源，也是迄今为止报道过的最薄的SPDC源，显示了NbOCl2在非线性光子学领域的巨大应用潜力。该研究工作为开发基于范德华材料的超紧凑芯片SPDC源以及经典和量子光学技术中的高性能光子调制器开辟了道路。
利用球差校正扫描透射成像技术，该研究团队对NbOCl2二维层状晶体的平面及截面结构进行了原子尺度的表征。研究团队发现NbOCl2晶体结构存在明显的各向异性（如图一所示），特别是沿晶体c轴Nb原子间间距交替改变，形成了一维的派尔斯链，导致存在沿着晶体b轴的电极化矢量。原子尺度下的扫描透射成像结果揭示了NbOCl2二维层状晶体存在显著光学各向异性的结构起源。此外，周武课题组还利用高能量分辨的电子能量损失谱，测量不同层数NbOCl2晶体的能隙与吸收峰（如图二a-b所示）。通过对电子能量损失谱进行切线拟合，获得了不同层数NbOCl2晶体的能隙大小。实验结果显示NbOCl2的能隙大小几乎不随层数增加而改变，这一点与绝大多数过渡金属硫族化合物材料不同（即，能隙大小会随层数增加显著改变，甚至由直接带隙转变为间接带隙），反映了NbOCl2中层间电子耦合效应极弱。第一性原理计算的结果亦证实了这一结论（图二d-e）。
图一、少层NbOCl2晶体的平面、截面晶体结构、化学成分表征。
图二、不同层数的NbOCl2晶体的价电子能量损失谱与第一性原理计算的NbOCl2电子能带结构和光学吸收谱。
本项工作中，该研究团队结合原子分辨扫描透射电子显微成像、高能量分辨电子能量损失谱和第一性原理计算，揭示了NbOCl2极弱的层间电子耦合与几乎不随厚度增加衰减的激子效应, 从实验出发解释了为何NbOCl2晶体存在优异的非线性光学性质，对新一代超薄量子光源的研发具有重要科学意义。
该研究成果以Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal为题发表在2023年1月5日的《自然》(Nature)杂志上（点击查阅原文）。新加坡国立大学博士后郭强兵，博士生张丽树，中国科学技术大学博士生祁晓卓和中国科学院大学周武教授课题组的博士生高猛为本论文的共同第一作者，新加坡国立大学Andrew T.S. Wee教授、Stephen J. Pennycook教授（中国科学院大学卓越客座教授）、邱成伟教授、郭强兵博士后以及中国科学技术大学任希锋教授为本论文的通讯作者。中国科学院大学周武教授课题组博士生许名权对本研究亦有贡献。该研究工作获得了科技部国家重点研发计划、北京高校卓越青年科学家计划项目等资助。
