Ikke-lineær lyskilde i nanoskala oprettet

Ikke længe efter udviklingen af ​​den første laser i 1960 opdagede videnskabsmænd, at det at skinne en stråle gennem visse krystaller frembragte lys af en anden farve; mere specifikt, det frembragte lys med nøjagtig dobbelt så hyppigt som originalen. Fænomenet blev døbt anden harmonisk generation.

De grønne laserpointere, der bruges i dag til at illustrere præsentationer, er baseret på denne videnskab, men det er ikke let at producere sådan en smuk smaragdstråle. Det grønne lys begynder som en infrarød stråle, der først skal behandles gennem en krystal, forskellige linser og andre optiske elementer, før den kan oplyse den PowerPoint på skærmen før dig.

Det blev senere opdaget, at påføring af et elektrisk felt på nogle krystaller frembragte en lignende, selvom svagere, lysstråle. Denne anden opdagelse, kendt som EFISH – for elektrisk felt-induceret anden harmonisk lysgenerering – har for det meste været en interessant smule videnskabelig viden og lidt mere. EFISH enheder er store, krævende højtydende lasere, store krystaller og tusindvis af volt elektricitet for at frembringe effekten. Som resultat, de er upraktiske til alle på nær nogle få applikationer.

I et papir offentliggjort i dag i Videnskab , ingeniører fra Stanford har demonstreret en ny enhed, der formindsker EFISH-enheder i størrelsesordener til nanoskalaen. Resultatet er en ultrakompakt lyskilde med både optiske og elektriske funktioner. Forskningsimplikationer for enheden spænder fra en bedre forståelse af grundvidenskab til forbedret datakommunikation.

Fjederbelastede elektroner

Enheden er baseret på de fysiske kræfter, der binder elektroner i kredsløb omkring en kerne.

"Det er som et forår, " sagde Mark Brongersma, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford.

I de fleste tilfælde, når du kaster lys på et atom, den tilføjede energi vil trække elektronen væk fra den positivt ladede kerne meget forudsigeligt, på en lineær måde, så når lyset slukkes og elektronen springer tilbage til sin oprindelige bane, den frigivne energi er den samme som lyset, der fortrængte den.

Nøgleudtrykket her er:"i de fleste tilfælde." Når lyskilden er en højintensiv laser, der skinner på et fast stof, forskere opdagede, at jo længere elektronerne trækkes væk fra kernerne, jo mindre lineært interagerer lyset med atomerne.

"Med andre ord, lys-stof-interaktionen bliver ikke-lineær, " sagde Alok Vasudev, en kandidatstuderende og medforfatter til papiret. "Det lys, du får ud, er forskelligt fra det lys, du sætter ind. Skyd en stærk nær-infrarød laser på krystallet, og grønt lys kommer nøjagtigt to gange frekvensen frem."

Tekniske muligheder

"Nu, Alok og jeg har taget denne viden og reduceret den til nanoskalaen, "sagde avisens første forfatter, Wenshan Cai, en post-doc forsker i Brongersmas laboratorium. "For første gang har vi en ikke-lineær optisk enhed på nanoskala, som har både optisk og elektrisk funktionalitet. Og dette giver nogle interessante tekniske muligheder."

Til mange fotoniske applikationer, herunder signal- og informationsbehandling, det er ønskeligt at manipulere ikke-lineær lysgenerering elektrisk. Den nye enhed ligner en nanoskala sløjfe med to halvdele af symmetrisk bladguld, der nærmer sig, men ikke helt rørende, i centrum. Denne tynde spalte mellem de to halvdele er fyldt med et ikke-lineært materiale. Snæverheden er kritisk. Den er kun 100 nanometer på tværs.

"EFISH kræver et enormt elektrisk felt. Fra grundlæggende fysik ved vi, at styrken af ​​et elektrisk felt skaleres lineært med den påførte spænding og omvendt med afstanden mellem elektroderne - mindre afstand, stærkere felt og omvendt, "sagde Brongersma." Så, hvis du har to elektroder placeret meget tæt på hinanden, som vi gør i vores eksperiment, der skal ikke mange volt til at producere et gigantisk elektrisk felt. Faktisk, det tager kun en enkelt volt."

"Det er denne grundlæggende videnskab, der tillader os at formindske enheden i størrelsesordener fra den menneskelige skala til nanoskalaen, " sagde Cai.

Indtast plasmonics

Brongersmas ekspertiseområde, plasmonik, går derefter ind på scenen. Plasmonik er studiet af et mærkeligt fysisk fænomen, der opstår, når lys og metal interagerer. Når fotoner rammer metal, producerer de bølger af energi, der strømmer ud over metallets overflade, som krusningerne, når en småsten tabes i en dam.

Ingeniører har lært at styre retningen af ​​krusningerne ved at mønstre overfladen af ​​metallet på en sådan måde, at næsten alle energibølgerne ledes indad mod spalten mellem de to metalliske elektroder.

Lyset strømmer ind i sprækken som over kanten af ​​et vandfald, og der forstærkes det, producerer lys omkring 80 gange stærkere end de allerede intense laserniveauer, hvorfra det kom. Forskerne anvender derefter en beskeden spænding til metallet, hvilket resulterer i det enorme elektriske felt, der er nødvendigt for at producere en EFISH-stråle.

Praktiske anvendelser

"Denne type enhed kan en dag finde anvendelse i kommunikationsindustrien, " siger Brongersma. "De fleste af de masser af information og interaktion på sociale medier sender vi gennem vores datacentre, og de fremtidige data, vi en dag vil skabe, gemmes og overføres som elektrisk energi - etaller og nuller."

"Disse enere og nuller er bare en kontakt; den ene er tændt, nul er slukket, " sagde Cai. "Efterhånden som mere energieffektiv optisk informationstransport hurtigt bliver vigtigere, det er ikke et stort spring at se, hvorfor enheder, der kan konvertere elektriske til optiske signaler og tilbage, er af stor værdi."

Indtil videre, imidlertid, forskerne advarer om, at praktiske anvendelser forbliver på vejen, men de har skabt noget nyt.

"Det er et fantastisk stykke grundlæggende videnskab, " sagde Brongersma. "Det er arbejde, der kombinerer flere discipliner – ikke-lineær optik, elektronik, plasmonik, og nanoskalateknik – til en virkelig interessant enhed, der kunne holde os beskæftiget i et stykke tid."