Mikroskopiske farvekonvertere flytter små laserbaserede enheder tættere på virkeligheden

Lasere er overalt. Enheder, der bruger dem, transmitterer information og muliggør eksistensen af ​​langdistancekommunikation og internettet; de hjælper læger, der udfører operationer, og ingeniører, der fremstiller avancerede værktøjer og teknologier; og dagligt støder vi på lasere, når vi scanner vores dagligvarer og ser dvd'er. "I de 60-nogle år siden de blev opfundet, har lasere absolut transformeret vores liv," sagde Giulio Cerullo, en ikke-lineær optikforsker ved Politecnico di Milano i Italien.

I dag, med hjælp fra ny forskning fra Cerullo og samarbejdspartnere ved Columbia University offentliggjort i Nature Photonics , er enheder, der bruger lasere, klar til at blive en hel del mindre.

Arbejder i ingeniør James Schucks laboratorium i Columbia, Ph.D. studerende Xinyi Xu og postdoc Chiara Trovatello studerede et 2D-materiale kaldet molybdændisulfid (MoS₂ ). De karakteriserede, hvor effektivt enheder er bygget af stakke af MoS₂ mindre end en mikron tyk – det er 100 gange tyndere end et menneskehår – konverter lysfrekvenser ved telekommunikationsbølgelængder for at producere forskellige farver.

Denne nye forskning er et første skridt i retning af at erstatte de standardmaterialer, der bruges i nutidens afstembare lasere, som måles i millimeter og centimeter, sagde Trovatello, som for nylig afsluttede sin ph.d. med Cerullo i Milano. "Ikke-lineær optik er i øjeblikket en makroskopisk verden, men vi ønsker at gøre den mikroskopisk," sagde hun.

Lasere afgiver en særlig form for sammenhængende lys, hvilket betyder, at alle fotoner i strålen deler samme frekvens og dermed farve. Lasere fungerer kun ved bestemte frekvenser, men enheder skal ofte være i stand til at anvende forskellige farver af laserlys. For eksempel er en grøn laserpointer faktisk produceret af en infrarød laser, der er konverteret til en synlig farve af et makroskopisk materiale. Forskere bruger ikke-lineære optiske teknikker til at ændre farven på laserlys, men konventionelt brugte materialer skal være relativt tykke, for at farvekonvertering kan ske effektivt.

MoS₂ er et af de mest undersøgte eksempler på en ny klasse af materialer kaldet overgangsmetal dichalcogenider, som kan skrælles i atomisk tynde lag. Enkelte lag af MoS₂ kan konvertere lysfrekvenser effektivt, men er faktisk for tynde til at blive brugt til at bygge enheder. Større krystaller af MoS_2, i mellemtiden har de en tendens til at være mere stabile i en ikke-farvekonverterende form. At fremstille de nødvendige krystaller, kendt som 3R-MoS₂ , arbejdede teamet med den kommercielle 2D-materialeleverandør HQ Graphene.

Med 3R-MoS₂ i hånden begyndte Xu at pille prøver af varierende tykkelse af for at teste, hvor effektivt de konverterede lysets frekvens. Med det samme var resultaterne spektakulære. "Sjældent i videnskaben starter du på et projekt, der ender med at fungere bedre, end du forventer - normalt er det det modsatte. Dette var en sjælden, magisk sag," bemærkede Schuck. Normalt er der brug for specielle sensorer til at registrere lyset, der produceres af en prøve, og det tager noget tid for dem at gøre det, forklarede Xu. "Med 3R-MoS₂ , vi kunne se den ekstremt store forbedring næsten med det samme," sagde han. Bemærkelsesværdigt registrerede holdet disse konverteringer ved telekommunikationsbølgelængder, en nøglefunktion for potentielle optiske kommunikationsapplikationer, såsom levering af internet- og tv-tjenester.

I en heldig ulykke under en scanning fokuserede Xu på en tilfældig kant af en krystal og så frynser, der antydede, at bølgeledertilstande var til stede inde i materialet. Bølgeledertilstande holder forskellige farvefotoner, som ellers bevæger sig med forskellige hastigheder hen over krystallen, synkroniseret og kan muligvis bruges til at generere såkaldte sammenfiltrede fotoner, en nøglekomponent i kvanteoptikapplikationer. Holdet afleverede deres enheder til fysikeren Dmitri Basovs laboratorium, hvor hans postdoc Fabian Mooshammer bekræftede deres fornemmelse.

I øjeblikket er den mest populære krystal til bølgestyret konvertering og generering af sammenfiltrede fotoner lithiumniobat, et hårdt og stift materiale, der skal være ret tykt for at opnå nyttige konverteringseffektiviteter. 3R-MoS₂ er lige så effektiv, men 100 gange mindre og fleksibel nok til, at den kan kombineres med fotoniske siliciumplatforme for at skabe optiske kredsløb på chips, der følger den stadigt mindre elektroniks bane.

Med dette proof-of-concept resultat er flaskehalsen mod virkelige applikationer storstilet produktion af 3R-MoS₂ og high-throughput strukturering af enheder. Der, siger teamet, bliver industrien nødt til at tage over. Med dette arbejde håber de, at de har demonstreret løftet om 2D-materialer.

"Jeg har arbejdet på ikke-lineær optik i mere end tredive år nu. Forskningen er oftest inkrementel, og bygger langsomt videre på det, der kom før. Det er sjældent, at man laver noget helt nyt med stort potentiale," sagde Cerullo. "Jeg har en fornemmelse af, at dette nye materiale kan ændre spillet." + Udforsk yderligere

Denne 'nanokavitet' kan forbedre ultratynde solpaneler, videokameraer og mere