Mærkelig effekt øger muligheden for mindre, smartere optiske filtre

Polarisering, synkroniseret. På makroen, hverdagsniveau, det læses som en oxymoron. Til University of Nebraska – Lincolns Xia Hong og hendes andre nanovidenskabsfolk, selvom, den tilsyneladende modsigelse giver en slags harmonisk mening. Og det kan bare anspore udviklingen af ​​mindre, mere alsidige optiske filtre, der er særligt dygtige til at lege med et trick af lyset.

Det trick opstår, når to pakker, eller fotoner, lys rammer et materiale og skubber en anden foton - en med dobbelt energi og halv bølgelængde - ud af materialet. Fordi bølgelængder er forskellige over det elektromagnetiske spektrum, fænomenet kan omdanne indgående infrarøde bølger til bølger af blåt lys, for eksempel, eller det synlige lys til ultraviolet.

Men ikke et hvilket som helst materiale kan gøre tricket, kendt som anden harmonisk generation. Et materiale, der kan:et atom-tyndt lag af molybdændisulfid. Hong har brugt flere år på at udforske de fænomener, der opstår ved at parre molybdændisulfid med såkaldte ferroelektriske materialer, hvis justering af positive og negative ladninger vil vende, når de udsættes for et elektrisk felt.

Sidste år, hun og hendes kolleger studerede, hvordan den optiske adfærd af enkeltlags molybdændisulfid reagerede, når det blev placeret oven på et ferroelektrisk materiale kaldet blyzirkonattitanat, eller PZT.

"Vi havde ikke forventet meget, " sagde Hong, lektor i fysik og astronomi, "men vi så dette meget, meget mærkelig effekt."

I stedet for at observere anden-harmonisk generation ensartet hen over overfladen, holdet bemærkede, at visse segmenter booster fænomenet, selvom andre dæmpede det. Forskerne indså også, at det uventede mønster dukkede op ved PZT's domænevægge, hvor et afsnit med positiv polarisering-opadvendte positive ladninger adskilt fra nedadgående negative ladninger-mødte et afsnit med negativ polarisering. Ikke kun det:Intensiteten af ​​den reflekterede andenharmoniske generation vekslet af væg, så den første, tredje og femte væg forstærkede det, mens den anden, fjerde og sjette dæmpede det.

Da mønsteret manglede i begge materialer alene, forskerne regnede med, at det måtte stamme fra en eller anden interaktion mellem de to. Ved nærmere eftersyn, de opdagede, at hvirvellignende hvirvler af de positive og negative ladninger i toppen af ​​PZT-væggene - svarende til den tornadiske rotation, der kan opstå, når varm og kølig luft konvergerer - bidrog til effekten.

Når den rotation matchede polariseringen af ​​det overliggende molybdændisulfid, så førstnævnte hvirvlede med uret, da sidstnævnte var justeret fra venstre mod højre, eller omvendt, det reflekterede andenharmoniske signal blev næsten firedoblet i intensitet. Når disse polariseringer var i modstrid med hinanden, det reflekterede signal forsvandt praktisk talt.

Polariseringen af ​​det indkommende lys havde betydning, også. Et elektrisk felt, der omgiver en stråle af upolariseret lys, som det der kommer fra solen, vil tilfældigt rage ud i alle retninger. Det elektriske felt af polariseret lys, derimod vil holde sig til ét plan – lodret, vandret - eller drej rundt om strålen i en forudsigelig, cyklisk måde. Selvom indkommende lys, der var polariseret i visse vinkler, producerede et klart anden harmonisk mønster ved reflektering, signalerne forsvandt, da holdet justerede lysets polarisering til andre vinkler.

Hvad angår bølgelængderne, der passerede gennem nanostrukturen, frem for at reflektere over det? Holdet fandt et intensiverings-afbødningsmønster for dem, også. I stedet for at være afhængig af overensstemmelsen eller uoverensstemmelsen mellem polariseringen mellem materialerne, selvom, den anden-harmoniske generation reagerede alene på polariseringen af ​​PZT-plastrene. Når lys blev polariseret i bestemte vinkler, PZT-plastrene med positiv polarisering boostede signalet, der henviser til, at de negativt polariserede plastre dæmpede det. Og justering af lysets polarisering kunne vende den relative styrke af disse signaler.

Hong sagde, at nanostrukturens følsomhed over for polariseret lys, kombineret med evnen til at vende PZT'ens polarisering enten elektrisk eller mekanisk, giver noget usædvanligt:​​et optisk filter, der kunne programmeres og omprogrammeres på få sekunder.

"Det er nanoskala, og det kan styres, " sagde Hong. "Så man kan sige, at dette er en smartere måde at filtrere på, fordi du kan omkonfigurere det. Det er ikke en færdig aftale. Jeg kan skrive polarisationen sådan, Jeg kan slette det, (så) kan jeg skrive det på en anden måde.

"Jeg tror, ​​at nøglen i virkeligheden er, at det er en meget simpel teknik."

Teknikkens alsidighed kan vise sig nyttig til hurtigt at karakterisere materialer eller stoffer, Hong sagde, især de egenskaber, der påvirker andenharmonisk generation eller dikterer reaktioner på polarisering af lys. Selvom teknikken ikke rigtig passer til rutinen, applikationer på makroniveau af polariseret filtrering - "Dette er tydeligvis ikke noget at lave dine polariserede briller med, " sagde hun - Hong funderede over en beslægtet mulighed.

"Hvis du ville lave en 3D-film i mikroskala, " vovede hun sig med et smil, "det er nok måden at gøre det på."

Hong og hendes kolleger rapporterede deres resultater i journalen Naturkommunikation .