Abstract MicroRNA exhibits differential expression levels in cancer and can affect cellular transformation, carcinogenesis and metastasis. Although fluorescence techniques using dye molecule labels have been studied, label-free molecular-level quantification of miRNA is extremely challenging. We developed a surface plasmon resonance sensor based on two-dimensional nanomaterial of antimonene for the specific label-free detection of clinically relevant biomarkers such as miRNA-21 and miRNA-155. First-principles energetic calculations reveal that antimonene has substantially stronger interaction with ssDNA than the graphene that has been previously used in DNA molecule sensing, due to thanking for more delocalized 5 s /5 p orbitals in antimonene. The detection limit can reach 10 aM, which is 2.3–10,000 times higher than those of existing miRNA sensors. The combination of not-attempted-before exotic sensing material and SPR architecture represents an approach to unlocking the ultrasensitive detection of miRNA and DNA and provides a promising avenue for the early diagnosis, staging, and monitoring of cancer.

Abstract By coupling few-layer Molybdenum Disulfide (MoS 2 ) with fiber-taper evanescent light field, a new type of MoS 2 based nonlinear optical modulating element had been successfully fabricated as a two-dimensional layered saturable absorber with strong light-matter interaction. This MoS 2 -taper-fiber device is not only capable of passively mode-locking an all-normal-dispersion ytterbium-doped fiber laser and enduring high power laser excitation (up to 1 W), but also functions as a polarization sensitive optical modulating component (that is, different polarized light can induce different nonlinear optical response). Thanks to the combined advantages from the strong nonlinear optical response in MoS 2 together with the sufficiently-long-range interaction between light and MoS 2 , this device allows for the generation of high power stable dissipative solitons at 1042.6 nm with pulse duration of 656 ps and a repetition rate of 6.74 MHz at a pump power of 210 mW. Our work may also constitute the first example of MoS 2 -enabled wave-guiding photonic device and potentially give some new insights into two-dimensional layered materials related photonics.

Abstract Nonlayered materials are constructed with chemical covalent bonds in all three dimensions, distinct from layered materials, which contain evident structural differences in the horizontal and vertical directions. As a consequence, liquid‐phase exfoliation (LPE), a widely explored technique to obtain 2D layered nanoarchitectures, has not yet been fully characterized for the realization of 2D nonlayered nanostructures. Herein, by virtue of a typical chain‐like structure of crystalline bulk Te with strong TeTe covalent bonds in intrachains and weak Van der Waals forces in interchains, ultrathin 2D nonlayered Te nanosheets are realized by means of an LPE method. The resultant 2D Te nanosheets possess a broad lateral dimension ranging from 41.5 to 177.5 nm and a thickness ranging from 5.1 to 6.4 nm, and its photoresponse properties are evaluated using photoelectrochemical measurements. The 2D Te nanosheets exhibit excellent photoresponse behaviors from the UV to the visible regime in association with strong time and cycle stability for the on/off switching behaviors. The fabrication approach of 2D Te nanosheets would arouse interest in exfoliating other nonlayered 2D materials, which would expand the family of 2D materials.

Abstract As the last element in Group VA, bismuthene has garnered substantial interest for its unique electronic and mechanical properties and its enhanced stability. However, the mechanism that drives the light‐bismuthene interaction remains completely unclear. Herein, a sonochemical exfoliation approach is employed to deliver a successful synthesis of few‐layer bismuthene. The corresponding nonlinear optical response at the visible wavelength is investigated. The nonlinear refractive index is ∼10 −6 cm 2 /W and was measured by spatial self‐phase modulation. Thanks to its direct energy band‐gap at 1550 nm, the saturable absorption property of bismuthene is experimentally illustrated at the telecommunication band with an optical modulation depth of ∼2.03% and a saturable intensity of ∼30 MW/cm 2 . The optimization of the laser parameters resulted in the generation of an ∼652‐femtosecond optical pulse centered at 1559.18 nm. This result indicates that the bismuthene‐based saturable absorber is indeed a new and excellent material for an ultrafast saturable absorber device. Our work highlights the promise of this material in ultrafast photonics and may be considered as an important step towards bismuthene‐based photonics devices (optical modulator, optical switcher, detector, etc.).

The heterostructure of two-dimensional (2D) materials are promising and useful in the field of surface plasmon resonance (SPR) biochemical sensors. To enhance the sensitivity, we design a novel SPR biochemical sensor by using heterostructures of few-layer black phosphorus (BP) and graphene/transition metal dichalcogenides (TMDCs). The SPR biochemical sensor based on the different heterostructures of BP and graphene/TMDCs are analyzed, and the highest sensitivity with 279°/RIU for the heterostructure of BP and bilayer WSe2 is obtained. Moreover, the proposed biochemical sensor can be used to detect the analyte with different refractive index. The most prominent advantage of the proposed structure is its high sensitivity. The maximum sensitivity of our proposed SPR biochemical sensor is about 2.4 times of the conventional biochemical sensor. We believe that this biochemical sensor could find potential applications in chemical examination, medical diagnosis and biological detection.

Weyl points are the crossings of linearly dispersing energy bands of three-dimensional crystals, providing the opportunity to explore a variety of intriguing phenomena such as topologically protected surface states and chiral anomalies. However, the lack of an ideal Weyl system in which the Weyl points all exist at the same energy and are separated from any other bands poses a serious limitation to the further development of Weyl physics and potential applications. By experimentally characterizing a microwave photonic crystal of saddle-shaped metallic coils, we observed ideal Weyl points that are related to each other through symmetry operations. Topological surface states exhibiting helicoidal structure have also been demonstrated. Our system provides a photonic platform for exploring ideal Weyl systems and developing possible topological devices.

Antimonene, a new type of 2D group‐VA material beyond phosphorene, is theoretically predicted to exhibit remarkable electronics and optical properties with enhanced stability. However, its more general and practical applications seriously lag behind due to a shortage of effective synthesis techniques in delivering high‐quality few‐layer antimonene (FLA) and antimonene quantum dots (AQDs), and deep understanding of the mechanism in light‐antimonene interaction. Herein, based on electrochemical exfoliation and sonochemical approaches, FLA is synthesized with an average thickness down to 31.6 nm and AQDs with an average lateral size of 3.4 nm, and the corresponding nonlinear optical response is further investigated at the visible wavelength for the first time. It is shown that antimonene possesses a giant nonlinear refractive index of ≈10 −5 cm 2 W −1 and a high stability in ambient condition for months. The experimental findings may be considered as an important step toward antimonene‐based nonlinear photonics devices (Optical Switcher, Kerr shutter, beam shaper, etc.), in which their unstable counterpart phosphorene may not compete with.

Abstract Graphdiyne is a new carbon allotrope comprising sp‐ and sp 2 ‐hybridized carbon atoms arranged in a 2D layered structure. In this contribution, 2D graphdiyne is demonstrated to exhibit a strong light–matter interaction with high stability to achieve a broadband Kerr nonlinear optical response, which is useful for nonreciprocal light propagation in passive photonic diodes. Furthermore, advantage of the unique Kerr nonlinearity of 2D graphdiyne is taken and a nonreciprocal light propagation device is proposed based on the novel similarity comparison method. Graphdiyne has demonstrated a large nonlinear refractive index in the order of ≈10 −5 cm 2 W −1 , comparing favorably to that of graphene. Based on the strong Kerr nonlinearity of 2D graphdiyne, a nonlinear photonic diode that breaks time‐reversal symmetry is demonstrated to realize the unidirectional excitation of Kerr nonlinearity, which can be regarded as a significant demonstration of a graphdiyne‐based prototypical application in nonlinear photonics and might suggest an important step toward versatile graphdiyne‐based advanced passive photonics devices in the future.

Abstract As an analogue compound of black phosphorus, a new 2D semiconducting few‐layer SnS is successfully synthesized, and its nonlinear optical response is investigated. It is shown that its nonlinear refractive index and third‐order nonlinear susceptibility are measured as n 2 ≈ 10 −5 (cm 2 W −1 ) and ≈ 10 −10 (e.s.u.), respectively. By taking advantage of such a large Kerr nonlinearity, an all‐optical switching technique based on few‐layer SnS is realized through modulating the propagation of the signal beam by another controlling beam. The achievement of all‐optical switching indicates that few‐layer SnS could be developed as an excellent optical material for all‐optical signal processing. More importantly, a conceptually new and reliable information conversion system based on spatial cross‐phase modulation in few‐layer SnS, that is, the transmission and conversion of a sequence of bit information from one wavelength channel to the other, is presented. The contributions reveal potential applications of few‐layer SnS as a new type of optical information material, and it is therefore anticipated that SnS and other IV–VI compound‐based 2D nanomaterials could find promising applications in photonic devices such as optical modulators, optical switches, detectors, etc.

Abstract Tellurium (Te), as one of the rarest stable solid elements far more common in the universe than on earth, is a p‐type semiconductor with excellent optical properties. Herein, a novel two‐dimensional (2D) Te nanosheets (Ns)‐based air‐stable nonlinear photonic devices: all‐optical switcher and photonic diode, owing to its strong light–matter interaction in the visible‐to‐infrared band are reported. The findings validate that the proposed photonic diode can be utilized for the function of nonreciprocal light propagation in optical telecommunications or integrated photonics. Moreover, 2D Te‐based light‐modulate‐light system is successfully designed to realize “ON” and “OFF” modes for all‐optical switching operation. This work highlights a good promise of 2D Te in the field of nonlinear photonics, leading to an important step toward 2D Te‐based advanced photonics devices. The versatile solution process allows a universal access of 2D Te as a new 2D material in a wider range of photonics device applications such as, detector, modulator, switcher, etc.