Twistoptics - En ny måde at kontrollere optisk ikke -linearitet på

Ikke -lineær optik, en undersøgelse af, hvordan lys interagerer med stof, er afgørende for mange fotoniske applikationer, fra de grønne laserpointer, vi alle kender, til intense bredbånd (hvide) lyskilder til kvantefotonik, der muliggør optisk kvanteberegning, superopløsningsbilleddannelse, optisk sansning og rækkevidde, og mere. Gennem ikke -lineær optik, forskere opdager nye måder at bruge lys på, fra at få et nærmere kig på ultrahurtige processer i fysik, biologi, og kemi til at forbedre kommunikation og navigation, høstning af solenergi, medicinsk test, og cybersikkerhed.

Columbia Engineering -forskere rapporterer, at de har udviklet en ny, effektiv måde at modulere og forbedre en vigtig type ikke -lineær optisk proces:Optisk anden harmonisk generation - hvor to inputfotoner kombineres i materialet for at producere en foton med to gange energien - fra sekskantet bornitrid gennem mikromekanisk rotation og flerlagsstablering. Undersøgelsen blev offentliggjort 3. marts af Videnskab fremskridt .

"Vores arbejde er det første til at udnytte den dynamisk indstillelige symmetri af 2-D-materialer til ikke-lineære optiske applikationer, "sagde James Schuck, lektor i maskinteknik, der ledede undersøgelsen sammen med James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik.

Et varmt emne inden for 2-D-materialer har været at undersøge, hvordan vridning eller rotation af et lag i forhold til et andet kan ændre de elektroniske egenskaber i det lagdelte system-noget, der ikke kan gøres i 3D-krystaller, fordi atomerne er bundet så tæt sammen i et 3D-netværk. At løse denne udfordring har ført til et nyt forskningsområde kaldet "twistronics". I denne nye undersøgelse, teamet brugte begreber fra twistronics for at vise, at de også gælder for optiske egenskaber.

"Vi kalder dette nye forskningsområde for twistoptik, "" sagde Schuck. "Vores twistoptiske tilgang demonstrerer, at vi nu kan opnå gigantiske ikke -lineære optiske reaktioner i meget små mængder - kun få atomlagstykkelser - hvilket muliggør, for eksempel, sammenfiltret fotongenerering med en meget mere kompakt, chipkompatibelt fodprint. I øvrigt, svaret er fuldt indstilleligt efter behov. "

De fleste af nutidens konventionelle ikke -lineære optiske krystaller er fremstillet af kovalent bundne materialer, såsom lithiumniobat og bariumborat. Men fordi de har stive krystalstrukturer, det er svært at konstruere og kontrollere deres ikke -lineære optiske egenskaber. For de fleste applikationer, selvom, en vis grad af kontrol over et materiales ikke -lineære optiske egenskaber er afgørende.

Gruppen fandt ud af, at van der Waals flerlags krystaller giver en alternativ løsning til konstruktion af optisk ikke -linearitet. Takket være den ekstremt svage mellemlagskraft, forskerne kunne let manipulere relativ krystalorientering mellem tilstødende lag ved mikromekanisk rotation. Med evnen til at kontrollere symmetri ved atomlagsgrænsen, de demonstrerede præcis tuning og kæmpe forbedring af optisk anden harmonisk generation med mikro-rotator-enheder og supergitterstrukturer, henholdsvis. For supergitterne, teamet brugte først lagrotation til at skabe "snoede" grænseflader mellem lag, der giver et ekstremt stærkt, ikke -lineært optisk respons, og stablede derefter flere af disse "snoede" grænseflader oven på hinanden.

"Vi viste, at det ikke -lineære optiske signal faktisk skaleres med kvadratet af antallet af snoede grænseflader, "sagde Kaiyuan Yao, en postdoktor i Schucks laboratorium og medlederforfatter af papiret. "Så dette gør det allerede store ikke -lineære svar på en enkelt grænseflade af størrelsesordener stærkere stadig."

Gruppens fund har flere potentielle anvendelser. Stemmelig anden harmonisk generation fra mikrorotatorer kan føre til nye on-chip transducere, der kobler mikromekanisk bevægelse til følsomme optiske signaler ved at gøre mekanisk bevægelse til lys. Dette er afgørende for mange sensorer og enheder såsom atomkraftmikroskoper.

Stakning af flere bornitrid -tynde film oven på hinanden med kontrolleret vridningsvinkel viste stærkt forbedret ikke -lineær respons. Dette kunne tilbyde en ny måde at fremstille effektive ikke -lineære optiske krystaller med atompræcision. Disse kan bruges i en bred vifte af laser (såsom de grønne laserpegere), optisk spektroskopi, billeddannelse, og metrologiske systemer. Og måske mest markant, de kunne tilvejebringe et kompakt middel til at generere sammenfiltrede fotoner og enkeltfotoner til næste generations optisk kvanteinformationsbehandling og -beregning.

Dette arbejde var et samarbejde udført på Energy Frontier Research Center om programmerbare kvantematerialer i Columbia, med teori -samarbejdspartnere på Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. Fremstillingen af ​​enheden blev delvist udført i renrummet i Columbia Nano Initiative.

"Vi håber, "Sagde Schuck, "at denne demonstration giver et nyt twist i den igangværende fortælling med det formål at udnytte og kontrollere materialernes egenskaber."