Et twist på atomark for at skabe nye materialer

Den måde, lys interagerer med naturligt forekommende materialer på, er velkendt i fysik og materialevidenskab. Men i de seneste årtier har forskere fremstillet metamaterialer, der interagerer med lys på nye måder, der går ud over de fysiske grænser, der pålægges naturligt forekommende materialer.

Et metamateriale er sammensat af arrays af "meta-atomer", som er blevet fremstillet til ønskelige strukturer i skalaen omkring hundrede nanometer. Strukturen af ​​arrays af meta-atomer letter præcise lys-stof-interaktioner. Den store størrelse af meta-atomer i forhold til almindelige atomer, som er mindre end en nanometer, har dog begrænset ydeevnen af ​​metamaterialer til praktiske anvendelser.

Nu har et samarbejdende forskerhold ledet af Bo Zhen fra University of Pennsylvania afsløret en ny tilgang, der direkte konstruerer atomare strukturer af materiale ved at stable de todimensionelle arrays i spiralformationer for at udnytte ny lys-stof-interaktion. Denne tilgang gør det muligt for metamaterialer at overvinde de nuværende tekniske begrænsninger og baner vejen for næste generation af lasere, billeddannelse og kvanteteknologier. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics .

"Det svarer til at stable et sæt kort, men at vride hvert kort lidt, før det føjes til bunken," siger Zhen, en seniorforfatter af papiret og en assisterende professor ved School of Arts &Sciences i Penn. "Denne drejning ændrer, hvordan hele 'dækket' reagerer på lys, hvilket gør det muligt for det at udvise nye egenskaber, som individuelle lag eller traditionelle stakke ikke besidder."

Bumho Kim, postdoc-forsker i Zhen Lab og første forfatter til papiret, forklarer, at ved at stable lag af et materiale kaldet wolframdisulfid (WS₂ ) og drejede dem i bestemte vinkler introducerede de det, der er kendt som skruesymmetrier.

"Magien ligger i at kontrollere twist," forklarer Kim. "Når du vrider lagene i bestemte vinkler, ændrer du symmetrien af ​​stakken. Symmetri refererer i denne sammenhæng til, hvordan visse egenskaber ved materialer - som hvordan de interagerer med lys - er begrænset af deres rumlige arrangement."

Ved at justere dette arrangement på atomær skala har forskerne bøjet reglerne for, hvad disse materialer kan gøre, og ved at kontrollere drejningen på tværs af flere lag af WS₂ , skabte de det, der er kendt som 3D ikke-lineære optiske materialer.

Kim forklarer, at et enkelt lag af WS₂ har særlige symmetrier, som tillader visse typer af interaktioner med lys, hvor to fotoner ved en given frekvens kan interagere med materialet for at producere en ny foton ved dobbelt frekvens, en proces kendt som anden harmonisk generation (SHG).

"Men når to lag af WS₂ er stablet med en drejningsvinkel, der er forskellig fra den konventionelle 0° eller 180°, er alle de spejlsymmetrier, der var til stede i det enkelte lag, brudt," siger Kim. "Denne brudte spejlsymmetri er afgørende, fordi den fører til en chiral reaktion - noget helt nyt og ikke set i de enkelte lag."

Forskerne forklarer, at den chirale respons er signifikant, fordi den er en samarbejdseffekt, der er et resultat af koblingen mellem de to lags elektroniske bølgefunktioner, et fænomen, der kun kan opstå i snoede grænseflader.

En interessant egenskab, tilføjer Zhen, er, at tegnet på den chirale ikke-lineære respons vender, når vridningsvinklen vendes. Dette demonstrerer direkte kontrol over de ikke-lineære egenskaber ved blot at ændre drejningsvinklen mellem lagene – et niveau af afstemning, der kunne være revolutionerende til at designe optiske materialer med tilpassede svar.

Ved at flytte fra dobbeltlag til trelag og videre observerede forskerne, hvordan grænseflade-SHG-reaktionerne konstruktivt eller destruktivt kan interferere afhængigt af snoningsvinklerne mellem lagene.

I en stak med lag i multipla af fire "tæller de chirale svar fra alle grænseflader op, mens svarene i planet udligner," siger Kim. "Dette fører til et nyt materiale, der kun udviser chirale ikke-lineære følsomheder. Dette resultat kunne ikke opnås uden den præcise stabling og vridning af lagene."

Forskerne fandt ud af, at skruesymmetri muliggør ny selektivitet for lysets elektriske felt i materialet, en del af lyset, der bestemmer dets retning og intensitet Kim bemærker, hvordan de fandt ud af, at skruesymmetri muliggør en ny form for lysgenerering i snoede fire- og otte- lagstabler, modcirkulært polariseret tredje harmonisk generation, hvor lys bevæger sig i den modsatte spiralretning - en kvalitet, der ikke ses i komponent WS₂ monolag.

"Ved at tilføje en kunstig skruesymmetri kan vi kontrollere ikke-lineær optisk cirkulær selektivitet på nanoskala," siger Kim.

Ved at teste denne teknik eksperimentelt verificerede forskerne de forudsagte ikke-lineariteter, der er iboende i forskellige konfigurationer af snoet WS₂ stakke. Holdet observerede nye ikke-lineære svar og cirkulær selektivitet i snoet WS₂ stakke, der ikke kan findes i naturligt forekommende WS₂ , en åbenbaring, der kunne have dybtgående implikationer inden for ikke-lineær optik.

Flere oplysninger: Bumho Kim et al., Tredimensionelle ikke-lineære optiske materialer fra snoede todimensionelle van der Waals-grænseflader, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01318-6

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af University of Pennsylvania