Un nou mod eficient de a controla neliniaritatea optică

Două plăci de cristale de nitrură de bor se rup dinamic între ele. În anumite unghiuri, lumina laser primită (fascicul portocaliu) poate fi transformată eficient în lumină cu energie mai mare (fascicul roz), ca urmare a ruperii simetriei micromecanice. Credite: Nathan R. Finney și Sanghoon Chae / Columbia Engineering

Cercetătorii Columbia au conceput prima tehnică pentru a exploata simetria reglabilă a materialelor 2D pentru aplicații optice neliniare, inclusiv sisteme laser, spectroscopie optică, sisteme de imagistică și metrologie, precum și procesarea și calculul optic al informațiilor cuantice de nouă generație.

Optica neliniară, un studiu al modului în care lumina interacționează cu materia, este esențială pentru multe aplicații fotonice, de la indicatorii cu laser verde pe care îi cunoaștem cu toții la surse de lumină intensă în bandă largă (albă) la fotonica cuantică. Care permit optica calcul cuantic, imagini cu rezoluție superioară, detectare și raza optică și multe altele. Prin intermediul opticii neliniare, cercetătorii descoperă noi modalități de utilizare a luminii, de la observarea mai atentă a proceselor ultra-rapide din fizică, biologie și chimie până la îmbunătățirea comunicării și a navigației, captarea energiei, solare, teste medicale și securitate cibernetică.

Cercetătorii Columbia Engineering au raportat că au dezvoltat un nou mod eficient de a modula și îmbunătăți un tip important de proces optic neliniar: a doua generație de armonici optice, unde doi fotoni de intrare din material sunt combinați pentru a produce un foton cu energia dublă, din bor hexagonal. nitrură prin rotație micromecanică și stivuire multistrat. Studiul a fost publicat online pe 3 martie 2021 de către Progrese științifice.

Cristale de nitrură de bor gravate în forme de micro-rotatori

O schiță a experimentului. Cristalele de nitrură de bor sunt gravate în forme de micro-rotatori și sunt împinse de vârfurile AFM. În acest fel, simetria structurii de rețea interfațială (inserarea zoomului) este ajustată dinamic, rezultând o eficiență modulată a conversiei de frecvență optică. Credite: Nathan R. Finney și Sanghoon Chae / Columbia Engineering

„Munca noastră este prima care exploatează simetria reglabilă dinamic a materialelor 2D pentru aplicații optice neliniare”, a spus James Schuck, profesor asociat de inginerie mecanică, care a condus studiul împreună cu James Hone, profesor de inginerie mecanică Wang Fong-Jen.

Un subiect fierbinte în domeniul materialelor 2D a fost explorarea modului în care rotirea sau rotirea unui strat în raport cu altul poate modifica proprietățile electronice ale sistemului stratificat, ceea ce nu poate fi realizat în cristale 3D, deoarece atomii se leagă atât de strâns. Rețea 3D. Soluția la această provocare a condus la un nou domeniu de cercetare numit „twistronic”. În acest nou studiu, echipa a folosit concepte twistronice pentru a demonstra că se aplică și proprietăților optice.

„Noi numim acest nou domeniu de cercetare„ twistoptics ”, a spus Schuck. Abordarea noastră twistoptică arată că acum putem obține răspunsuri optice neliniare gigantice în volume foarte mici (doar câteva grosimi ale stratului atomic), ceea ce permite, de exemplu, generarea de fotoni încurcați cu o amprentă mult mai compactă și compatibilă cu cipurile. În plus, răspunsul este complet reglabil la cerere. “

Majoritatea cristalelor optice neliniare convenționale actuale sunt fabricate din materiale legate covalent, cum ar fi niobatul de litiu și boratul de bariu. Dar, deoarece au structuri cristaline rigide, este dificil să le proiectăm și să le controlăm proprietățile optice neliniare. Cu toate acestea, pentru majoritatea aplicațiilor este esențial un anumit grad de control asupra proprietăților optice neliniare ale unui material.

Grupul a descoperit că cristalele multistrat van der Waals oferă o soluție alternativă pentru ingineria neliniarității optice. Datorită rezistenței extrem de slabe a straturilor, cercetătorii au reușit să manipuleze cu ușurință orientarea relativă a cristalului între straturile învecinate prin rotație micromecanică. Având capacitatea de a controla simetria la limita stratului atomic, au demonstrat o reglare precisă și o îmbunătățire gigantică a celei de-a doua generații de armonici optice cu dispozitive de micro-rotatori și, respectiv, structuri de suprastructură. Pentru grile, echipa a folosit mai întâi rotația stratului pentru a crea interfețe „răsucite” între straturi care au dat un răspuns optic neliniar extrem de puternic, apoi au stivuit mai multe dintre aceste interfețe „răsucite” una peste alta.

„Am arătat că semnalul optic neliniar a fost de fapt scalat cu pătratul numărului de interfețe răsucite”, a spus Kaiyuan Yao, cercetător postdoctoral în laboratorul Schuck și coautor al lucrării. “Prin urmare, acest lucru face ca răspunsul neliniar deja mare al unei singure interfețe de mărime să fie și mai puternic.”

Descoperirile grupului au mai multe aplicații potențiale. Armonica de a doua generație reglabilă de la micro-rotatoare ar putea duce la noi traductoare integrate cu cip care cuplează mișcarea micromecanică la semnale optice sensibile prin transformarea mișcării mecanice în lumină. Acest lucru este esențial pentru mulți senzori și dispozitive, cum ar fi microscopii cu forță atomică.

Stivuirea mai multor pelicule subțiri de nitrură de bor una peste alta cu un unghi de rotație controlat a arătat un răspuns neliniar mult îmbunătățit. Acest lucru ar putea oferi o nouă modalitate de a produce cristale optice neliniare eficiente cu precizie atomică. Acestea ar putea fi utilizate într-o gamă largă de sisteme laser (cum ar fi indicatorii cu laser verde), spectroscopie optică, imagistică și sisteme de metrologie. Și poate cel mai semnificativ, acestea pot oferi un mijloc compact de generare de fotoni încurcați și fotoni individuali pentru procesarea și calculul optic al informațiilor cuantice de generația următoare.

Această lucrare a fost o colaborare la Centrul de Cercetare a Energiei Frontierei Columbia în Materiale Cuantice Programabile, cu colaboratori teoretici la Institutul Max Planck pentru structura și dinamica materiei. Fabricarea dispozitivului a fost realizată parțial în camera albă a Inițiativei Columbia Nano.

“Sperăm”, a spus Schuck, “că această demonstrație va lua o nouă întorsătură în narațiunea în curs de desfășurare care vizează valorificarea și controlul proprietăților materialelor”.

Referință: „Armonic tunabil de a doua generație îmbunătățit de la interfețele rotative și rețelele verticale în homostructuri de azotură de bor” de Kaiyuan Yao1, Nathan R. Finney1, Jin Zhang2, Samuel L. Moore3, Lede Xian2 †, Nicolas Tancogne-Dejean2, Fang Liu4, Jenny Ardelean1 , Xinyi Xu1, Dorri Halbertal3, 56334 K. Watanabe, T. Taniguchi, Hector Ochoa, Ana Asenjo-Garcia, Xiaoyang Zhu, DN Basov3, Angel Rubio2.7, Cory R. Dean3, James Hone1 și P. James Schuck, 3 martie , 2021, Progrese științifice.
DOI: 10.1126 / sciadv.abe8691

  1. Departamentul de Inginerie Mecanică, Universitatea Columbia
  2. Institutul Max Planck pentru structura și dinamica materiei, Germania
  3. Departamentul de Fizică, Universitatea Columbia
  4. Departamentul de Chimie, Universitatea Columbia
  5. Centrul de cercetare a materialelor funcționale, Institutul Național de Știința Materialelor, Japonia
  6. Centrul internațional pentru nanoarhitectura materialelor, Institutul Național de Știința Materialelor, Japonia
  7. Center for Computational Quantum Physics, Simons Foundation Flatiron Institute

Studiul a fost susținut în principal ca parte a Programmable Quantum Materials, un centru de cercetare la frontierele energetice finanțat de Departamentul de Energie al SUA (DOE), Biroul de Științe, Științe Energetice de Bază (BES).), Cu premiul DE-SC0019443. Sprijinul teoretic care implică calculele DFT pentru acest proiect este susținut de Consiliul European de Cercetare (ERC-2015-AdG694097), Clusterul de Excelență AIM și Institutul Max Planck-Centrul pentru fenomene cuantice dezechilibrate (AR) din New York City.

Flatiron Institute este o divizie AQ7 a Fundației Simons. NF recunoaște sprijinul pentru programul de burse Stewardship Science Graduate Fellowship Scholarship furnizat cu numărul acordului de cooperare DE-NA0003864. KW și TT recunosc sprijinul inițiativei de strategie elementară desfășurată de MEXT, Japonia (numărul grantului JPMXP0112101001), JSPS KAKENHI (numărul grantului JP20H00354) și CREST (JPMJCR15F3), JST. JZ recunoaște finanțarea primită de la programul de cercetare și inovare al Uniunii Europene Orizont 2020 în cadrul Acordului de grant Marie Sklodowska-Curie 886291 (PeSD-NeSL).

FL, XYZ și JH sunt inventatori ai unei cereri de brevet legate de această lucrare depusă de Universitatea Columbia (nr. 62 / 944.753 și 62 / 963.839, depusă la 6 decembrie 2019). Autorii afirmă că nu au alte interese competitive.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.