Nový, efektivní způsob řízení optické nelinearity

Dvě desky vyrobené z krystalů nitridu boritého jsou dynamicky stočeny proti sobě. V určitých úhlech může být dopadající laserové světlo (oranžový paprsek) efektivně přeměněno na světlo s vyšší energií (růžový paprsek) v důsledku porušení mikromechanické symetrie. Fotografický kredit: Nathan R. Finney a Sanghoon Chae / Columbia Engineering

Vědci z Kolumbie vyvíjejí první techniky, které využívají laditelnou symetrii 2D materiálů pro nelineární optické aplikace, včetně laseru, optické spektroskopie, zobrazovacích a měřicích systémů a zpracování a zpracování optické kvantové informace nové generace.

Nelineární optika, výzkum interakce světla s hmotou, má zásadní význam pro mnoho fotonických aplikací, od známých zelených laserových ukazatelů až po intenzivní širokopásmové (bílé) zdroje světla pro kvantovou fotoniku, které umožňují optické funkce Kvantové výpočty, zobrazování ve vysokém rozlišení, optická detekce a dálkoměr a další. S pomocí nelineární optiky objevují vědci nové způsoby využití světla, od bližšího pohledu na ultrarychlé procesy ve fyzice, biologii a chemii po zlepšení komunikace a navigace, generování sluneční energie, lékařských testů a kybernetické bezpečnosti.

Vědci společnosti Columbia Engineering uvádějí, že vyvinuli novou, účinnou metodu pro modulaci a zlepšení důležitého typu nelineárního optického procesu: vytvoření optické druhé harmonické – proces kombinování dvou vstupních fotonů v materiálu za účelem vytvoření fotonu s generováním dvakrát energie – z hexagonálního nitridu boru mikromechanickou rotací a vícevrstvým stohováním. Studie byla publikována online 3. března 2021 Pokrok ve vědě.

Krystaly nitridu boru vyleptané do tvarů mikrorotátoru

Schéma experimentu. Krystaly nitridu boru jsou vyleptány ve tvaru mikrorotátoru a protlačeny hroty AFM. Tímto způsobem se symetrie struktury mřížky rozhraní (zvětšená vložka) dynamicky vyladí, což vede k modulované účinnosti převodu optické frekvence. Fotografický kredit: Nathan R. Finney a Sanghoon Chae / Columbia Engineering

„Naše práce jako první využívá dynamicky nastavitelnou symetrii 2D materiálů pro nelineární optické aplikace,“ uvedl James Schuck, docent strojního inženýrství, který vedl studii s Jamesem Honeem, profesorem strojního inženýrství Wang Fong-Jen.

Žhavým tématem v oblasti 2D materiálů bylo studium toho, jak zkroucení nebo otáčení jedné vrstvy ve srovnání s druhou může změnit elektronické vlastnosti systému vrstev – něco, co u 3D krystalů není možné, protože atomy jsou tak blízko u sebe 3D síť. Řešení této výzvy vedlo k nové oblasti výzkumu zvané „Twistronics“. V této nové studii tým použil koncepty od twistroniky, aby ukázal, že se vztahují také na optické vlastnosti.

„Tuto novou oblast výzkumu nazýváme„ twist optika “,“ řekl Schuck. “Náš přístup s twist optikou ukazuje, že nyní můžeme dosáhnout obrovských nelineárních optických odezev ve velmi malých objemech – pouze v několika tloušťkách atomových vrstev – které například umožňují generování zapletených fotonů s mnohem kompaktnější stopou kompatibilní s čipy . Kromě toho je odpověď v případě potřeby plně nastavitelná. “

Většina dnešních konvenčních nelineárních optických krystalů je vyrobena z kovalentně vázaných materiálů, jako je niobát lithný a boritan barnatý. Protože však mají tuhé krystalové struktury, je obtížné navrhnout a řídit jejich nelineární optické vlastnosti. U většiny aplikací je však nezbytná určitá kontrola nad nelineárními optickými vlastnostmi materiálu.

Skupina zjistila, že Van der Waalsovy vícevrstvé krystaly poskytují alternativní řešení technické optické nelinearity. Díky extrémně slabé síle mezivrstvy byli vědci schopni snadno manipulovat s relativní orientací krystalů mezi sousedními vrstvami pomocí mikromechanické rotace. Se schopností řídit symetrii na hranici atomové vrstvy vykazovali přesné ladění a enormní zlepšení ve generování druhé optické harmonické s mikrorotátorovými zařízeními nebo superlattickými strukturami. U superlattic tým nejprve použil rotaci vrstev k vytvoření „zkroucených“ rozhraní mezi vrstvami, které poskytují extrémně silnou nelineární optickou odezvu, a poté několik těchto „zkroucených“ rozhraní naskládal na sebe.

„Ukázali jsme, že nelineární optický signál se ve skutečnosti mění s druhou mocninou počtu zkroucených rozhraní,“ řekl Kaiyuan Yao, postdoktorand v Schuckově laboratoři a spoluautor článku. „Díky tomu je již tak velká nelineární odezva jediného rozhraní ještě silnější o řád.“

Zjištění skupiny mají několik potenciálních aplikací. Laditelná generace druhé harmonické z mikrorotátorů by mohla vést k novým převodníkům na čipu, které spojují mikromechanické pohyby s citlivými optickými signály převáděním mechanických pohybů na světlo. To je zásadní pro mnoho senzorů a zařízení, jako jsou mikroskopy pro atomovou sílu.

Skládání několika tenkých vrstev nitridu bóru na sebe s kontrolovaným úhlem zkroucení ukázalo výrazně zlepšenou nelineární odezvu. To by mohlo nabídnout nový způsob výroby účinných nelineárních optických krystalů s atomovou přesností. Mohou být použity v široké škále laserových systémů (jako jsou zelená laserová ukazovátka), optické spektroskopie, zobrazovacích a měřicích systémů. A možná nejdůležitější je, že mohou poskytnout kompaktní prostředky pro generování zapletených fotonů a jednotlivých fotonů pro zpracování a výpočet optické kvantové informace nové generace.

Tato práce byla spoluprací s Energy Frontier Research Center for Programmable Quantum Materials v Kolumbii s teoretickými zaměstnanci Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. Zařízení bylo částečně vyrobeno v čisté místnosti iniciativy Columbia Nano Initiative.

„Doufáme,“ řekl Schuck, „že tato demonstrace představuje nový směr v současném příběhu, jehož cílem je využívat a řídit vlastnosti materiálů.“

Odkaz: „Vylepšená nastavitelná generace druhé harmonické z otočných rozhraní a vertikálních superlatt v homostrukturách nitridu boru“ od 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 a P. James Schuck, 3. března 2021, Pokrok ve vědě.
DOI: 10.1126 / sciadv.abe8691

  1. Oddělení strojírenství, Columbia University
  2. Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter
  3. Katedra fyziky, Columbia University
  4. Katedra chemie, Columbia University
  5. Centrum pro výzkum funkčních materiálů, Národní ústav materiálových věd, Japonsko
  6. International Center for Material Nanoarchitecture, National Institute for Materials Science, Japan
  7. Centrum pro výpočetní kvantovou fyziku, Simons Foundation Flatiron Institute

Studii podpořilo především Programovatelné kvantové materiály, Centrum pro výzkum energetických hranic financované Ministerstvem energetiky USA (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES), pod označením DE-SC0019443. Teoretickou podporu výpočtů DFT pro tento projekt podporuje Evropská rada pro výzkum (ERC-2015-AdG694097), Cluster of Excellence AIM a Newyorské centrum pro nerovnovážné kvantové jevy (AR) Institutu Maxe Plancka.

Flatiron Institute je oddělení AQ7 nadace Simons Foundation. NF potvrzuje podporu ze Stewardship Science Graduate Fellowship programu dostupného pod Collaboration Agreement number DE-NA0003864. KW a TT potvrzují podporu Iniciativy elementárních strategií, kterou uskutečnily japonské společnosti MEXT (číslo grantu JPMXP0112101001), JSPS KAKENHI (číslo grantu JP20H00354) a CREST (JPMJCR15F3), JST. JZ potvrzuje financování z programu Evropské unie pro výzkum a inovace Horizont 2020 v rámci grantové dohody Marie Sklodowska-Curie 886291 (PeSD-NeSL).

FL, XYZ a JH jsou vynálezci patentové přihlášky týkající se této práce podané Columbia University (č. 62/944 753 a 62/963 839, podané 6. prosince 2019). Autoři uvádějí, že nemají žádné jiné konkurenční zájmy.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.