Elektrisk afstembar tredjeordens ikke-lineær optisk respons i grafen

Forskningsfokuset på 2D-materialer er blevet intensiveret med dets potentiale til at modulere lys til overlegen ydeevne og realisere applikationer, der kan forbedre eksisterende teknologier. grafen, det bedst kendte 2D-materiale, afledt af 3-D grafit, udgør et monolag af carbonatomer arrangeret i et 2-D sekskantet gitter, udviser stærke ultra-bredbånds lys-stof-interaktioner, i stand til at operere i et ekstremt bredt spektralområde, velegnet til næste generation af fotonik og optoelektroniske enheder. De unikke elektroniske egenskaber af grafen stammer fra Dirac-kegler, funktioner i elektroniske båndstrukturer, der er vært for ladningsbærere med nul effektiv masse, såkaldte masseløse Dirac-fermioner, der forekommer i 2-D materialer. Materialeforskere er i øjeblikket på et stadium af eksperimentel barndom for at realisere mange interessante egenskaber ved de ikke-lineære optiske reaktioner af grafen, for at støtte sit løfte om at forstyrre eksisterende teknologi og lette omfattende anvendelser.

Fødslen af ​​ikke-lineær optik er krediteret et eksperiment udført i 1961 af Peter Franken og kolleger med en pulserende rubinlaser, hvor de observerede den ikke-lineære effekt af anden harmonisk generation (SHG, frekvensfordobling) for første gang. Dynamisk kontrol af optiske ikke-lineariteter forbliver begrænset til forskningslaboratorier som et spektroskopisk værktøj på nuværende tidspunkt.

Skriver nu ind Naturfotonik , Tao Jiang et al. rapporter, at ikke-lineær tredje-harmonisk generation (THG, frekvens tredobling) kan tunes bredt i grafen ved hjælp af en elektrisk portspænding. Dette har mange potentielle applikationer – gate-tunerbar, ikke-lineære optiske mekanismer af grafen og andre 2-D grafen-lignende materialer er ønskelige for at konstruere fremtidige fotoniske og optoelektroniske applikationer på chip med ekstrem høj hastighed og komplementær metal-oxid-halvleder (CMOS) kompatibilitet til enhedsfremstilling. Elektrisk afstembar anden-harmonisk generation blev tidligere rapporteret i andre 2-D materialer, såsom Tungsten diselenide (WSe ₂ ) med excitoner, selvom den spektrale båndbredde var begrænset. Eksperimentelt, tuning af indgangsfrekvenserne eller det kemiske potentiale (E _f ) af grafen kan give detaljerede oplysninger om tredjeordens ikke-lineære optiske respons, indtil videre foreslået i teorien.

Tredje-ordens ikke-lineære processer er også kendt som fire-bølge blanding, da de blander tre felter for at producere en fjerde. De seneste resultater fra Jiang et al. stammer fra evnen til at justere det kemiske potentiale (E _f ) af grafen og elektrisk tænde eller slukke for enkelt foton og multifoton resonansovergange med ion-gel gating (også kendt som gate-styret doping), for et givet sæt indgangsfrekvenser. De eksperimentelle resultater matchede godt med teoretiske beregninger for at give et solidt grundlag for at forstå tredjeordens ikke-lineære optiske processer i grafen og grafenlignende Dirac-materialer.

Driftsbåndbredden for gate tunable THG varierede fra ~ 1300 nm til 1650 nm, dækker det mest almindelige spektralområde for optisk fibertelekommunikation ved 1550 nm. En sådan bred operationsbåndbredde var resultatet af energifordelingen af ​​grafen Dirac-fermioner. Observationen ligner en parallel undersøgelse offentliggjort i Natur nanoteknologi at elektrisk styre THG-effektiviteten (THGE) af grafen, ligeledes tilskrevet masseløse Dirac-fermioner. Samlet set, de eksperimentelt observerede bredbåndsgate-tunerbare optiske ikke-lineariteter af grafen tilbyder en ny tilgang til at bygge elektrisk afstembare ikke-lineære optiske enheder i praksis.

Eksisterende elektroniske sammenkoblinger (kobberkabler) f.eks. lider af båndbreddetab på grund af ydeevnebegrænsninger, hindre accelereret informationsbehandling, der kræves til mediestreaming, cloud computing og tingenes internet (IoT). Der er et stigende behov for at regulere lyset og udvikle kompakte, omkostningseffektiv, højtydende optiske sammenkoblinger for højere båndbredde og lavere tab.

Fremtidige forskningsindsatser vil sandsynligvis forbedre de observerede effekter ved hjælp af en række forskellige tilgange, herunder bølgeleder/fiberintegration og optiske resonatorer. Ud over, Forskellige polaritoner og fotoniske metamaterialer kan give lokaliseret forbedring og manipulation af optiske ikke-lineariteter i 2-D-materialer for at skabe overfladeplasmoner og tackle de forudsete udfordringer ved ikke-lineær nanofotonik og udvikling af nanofysiske enheder, med avancerede optiske løsninger.

Viden kan udvides til andre ikke-lineære optiske processer i grafen, inklusive højordens harmonisk generering. Den eksisterende teknologi med traditionelle bulkkrystaller har ramt en teknisk grænse for at realisere de forudsete optoelektroniske applikationer, på grund af deres relativt lille ikke-lineære optiske modtagelighed og den komplekse og dyre, fremstillings- og integrationsmetoder. Den demonstrerede ikke-lineære optiske interaktionsforbedring i 2D-materialer bør ideelt set udvikles sammen med produktion af 2D-materiale i stor skala og af høj kvalitet, at muliggøre helt andre tilgange til elektrisk tunerbar nanoenhedskonstruktion. Sådanne nanoenheder kan lette de foreslåede fremskridt inden for metrologi, sansning, billeddannelse, kvanteteknologi og telekommunikation.

© 2018 Phys.org