Smugler lys gennem uigennemsigtige materialer

Elektriske ingeniører ved Duke University har opdaget, at ændring af den fysiske form af en klasse af materialer, der almindeligvis bruges i elektronik og nær- og melleminfrarød fotonik - chalcogenid-briller - kan udvide deres brug til de synlige og ultraviolette dele af det elektromagnetiske spektrum. Allerede kommercielt brugt i detektorer, linser og optiske fibre, chalcogenid-briller kan nu finde et hjem i applikationer som undervandskommunikation, miljøovervågning og biologisk billeddannelse.

Resultaterne vises online den 5. oktober i journalen Naturkommunikation.

Som navnet antyder, chalcogenidglas indeholder et eller flere chalcogener - kemiske elementer såsom svovl, selen og tellur. Men der er et medlem af familien, de udelader:ilt. Deres materialeegenskaber gør dem til et stærkt valg til avancerede elektroniske applikationer såsom optisk switching, ultra-lille direkte laserskrivning (tænk på små genskrivbare cd'er) og molekylært fingeraftryk. Men fordi de kraftigt absorberer bølgelængder af lys i de synlige og ultraviolette dele af det elektromagnetiske spektrum, chalcogenidglas har længe været begrænset til nær- og mellem-infrarød med hensyn til deres anvendelser inden for fotonik.

"Chalcogenider er blevet brugt i nær- og midt-IR i lang tid, men de har altid haft denne fundamentale begrænsning af at være tabsgivende ved synlige og UV-bølgelængder, "sagde Natalia Litchinitser, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Men nyere forskning i, hvordan nanostrukturer påvirker den måde, disse materialer reagerer på lys, indikerede, at der kan være en vej udenom disse begrænsninger."

I nyere teoretisk forskning i egenskaberne af galliumarsenid (GaAs), en halvleder, der almindeligvis anvendes i elektronik, Litchinitsers samarbejdspartnere, Michael Scalora fra US Army CCDC Aviation and Missile Center og Maria Vincenti fra University of Brescia forudsagde, at nanostrukturerede GaAs kunne reagere anderledes på lys end dets bulk- eller endda tyndfilm-modstykker. På grund af den måde, optiske impulser med høj intensitet interagerer med det nanostrukturerede materiale, meget tynde ledninger af materialet, der er linet op ved siden af ​​hinanden, kan skabe højere ordens harmoniske frekvenser (kortere bølgelængder), der kan rejse gennem dem.

Forestil dig en guitarstreng, der er stemt til at give genlyd ved 256 Hertz – ellers kendt som mellem C. Forskerne foreslog, at hvis den var fremstillet helt rigtigt, denne streng, når den plukkes, kan også vibrere ved frekvenser en eller to oktaver højere i små mængder.

Litchinitser og hendes ph.d. studerende Jiannan Gao besluttede at se, om det samme kunne være tilfældet for chalcogenidglas. For at teste teorien, kolleger ved Naval Research Laboratory deponerede en 300 nanometer tynd film af arsentrisulfid på et glassubstrat, der næste blev nanostruktureret ved hjælp af elektronstrålelitografi og reaktiv ionætsning for at producere arsentrisulfid nanotråde på 430 nanometer brede og 625 nanometer fra hinanden.

Selvom arsentrisulfid fuldstændigt absorberer lys over 600 THz - omtrent farven af ​​cyan - opdagede forskerne, at deres nanotråde transmitterede små signaler ved 846 THz, som er lige i det ultraviolette spektrum.

"Vi fandt ud af, at belysning af en metasoverflade lavet af fornuftigt designede nanotråde med nær-infrarødt lys resulterede i generering og transmission af både den originale frekvens og dens tredje harmoniske, hvilket var meget uventet, fordi den tredje harmoniske falder inden for det område, hvor materialet skulle absorbere den, " sagde Litchinitser.

Dette kontraintuitive resultat skyldes virkningen af ​​ikke -lineær tredje harmonisk generation og dens "faselås" med den originale frekvens. "Den indledende puls fanger den tredje harmoniske og på en måde narre materialet til at lade dem begge passere igennem uden nogen absorption, " sagde Litchinitser.

Bevæger sig fremad, Litchinitser og hendes kolleger arbejder på at se, om de kan konstruere forskellige former for chalcogenider, der kan bære disse harmoniske signaler endnu bedre end de oprindelige nanostrips. For eksempel, de tror, ​​at par lange, tynd, Lego-lignende klodser med visse afstande fra hinanden kan skabe et stærkere signal ved både tredje og anden harmoniske frekvenser. De forudsiger også, at stabling af flere lag af disse metaoverflader oven på hinanden kan forbedre effekten.

Hvis det lykkes, fremgangsmåden kunne låse op for en lang række synlige og ultraviolette applikationer til populært elektronisk materiale og melleminfrarødt fotonisk materiale, der længe har været lukket ude af disse højere frekvenser.