Нелинейная оптика, исследование того, как свет взаимодействует с материей, имеет решающее значение для многих фотонных приложений, от зеленых лазерных указателей, с которыми мы все знакомы, до интенсивных широкополосных (белых) источников света для квантовой фотоники, которые обеспечивают оптические квантовые вычисления, сверхвысокое разрешение. визуализация, оптическое зондирование и дальность и многое другое. С помощью нелинейной оптики исследователи открывают новые способы использования света – от более пристального изучения сверхбыстрых процессов в физике, биологии и химии до улучшения связи и навигации, сбора солнечной энергии, медицинских испытаний и кибербезопасности.
Исследователи Columbia Engineering сообщают, что они разработали новый эффективный способ модуляции и улучшения важного типа нелинейно-оптического процесса: генерации второй оптической гармоники, при которой два входных фотона объединяются в материале для получения одного фотона с удвоенной энергией. гексагональный нитрид бора за счет микромеханического вращения и многослойной укладки.
Исследование было опубликовано в Интернете 3 марта сайтом Science Advances.
«Наша работа является первой, в которой динамически настраиваемая симметрия 2D-материалов используется для нелинейных оптических приложений», – сказал Джеймс Шак, доцент кафедры машиностроения, который руководил исследованием вместе с Джеймсом Хоуном, профессором машиностроения Ван Фонг-Дженом.
Горячей темой в области 2D-материалов было исследование того, как скручивание или вращение одного слоя относительно другого может изменить электронные свойства слоистой системы – то, что невозможно сделать в 3D-кристаллах, потому что атомы связаны между собой очень прочно. в 3D сети.
Решение этой проблемы привело к появлению новой области исследований под названием "твистроника".«В этом новом исследовании команда использовала концепции Twistronics, чтобы показать, что они также применимы к оптическим свойствам.
«Мы называем эту новую область исследований« твистоптика », – сказал Шак. «Наш твистоптический подход демонстрирует, что теперь мы можем достичь гигантских нелинейно-оптических откликов в очень малых объемах – всего несколько толщин атомных слоев – что позволяет, например, генерировать запутанные фотоны с гораздо более компактной, совместимой с чипом опорной поверхностью. Более того, отклик полностью настраивается по запросу."
Большинство современных нелинейно-оптических кристаллов изготовлено из материалов с ковалентной связью, таких как ниобат лития и борат бария. Но поскольку они имеют жесткие кристаллические структуры, их нелинейно-оптические свойства сложно проектировать и контролировать.
Однако для большинства приложений необходим некоторый контроль нелинейно-оптических свойств материала.
Группа обнаружила, что многослойные кристаллы Ван-дер-Ваальса представляют собой альтернативное решение для инженерной оптической нелинейности. Благодаря чрезвычайно слабой межслоевой силе исследователи могли легко управлять относительной ориентацией кристаллов между соседними слоями с помощью микромеханического вращения. Обладая способностью управлять симметрией на пределе атомного слоя, они продемонстрировали точную настройку и гигантское усиление генерации второй оптической гармоники с помощью микроповоротных устройств и сверхрешеточных структур соответственно.
Для сверхрешеток команда сначала использовала вращение слоев, чтобы создать «скрученные» интерфейсы между слоями, которые дают чрезвычайно сильный нелинейный оптический отклик, а затем уложила несколько из этих «скрученных» интерфейсов друг на друга.
«Мы показали, что нелинейный оптический сигнал фактически масштабируется пропорционально квадрату количества скрученных интерфейсов», – сказал Кайюань Яо, научный сотрудник лаборатории Шака и соавтор статьи. "Таким образом, это делает и без того большой нелинейный отклик одного интерфейса на несколько порядков еще сильнее."
Выводы группы имеют несколько потенциальных приложений. Настраиваемая генерация второй гармоники с помощью микровращателей может привести к созданию новых преобразователей на кристалле, которые связывают микромеханическое движение с чувствительными оптическими сигналами, превращая механическое движение в свет.
Это очень важно для многих датчиков и устройств, таких как атомные силовые микроскопы.
Укладка нескольких тонких пленок нитрида бора друг на друга с контролируемым углом закручивания продемонстрировала значительно улучшенный нелинейный отклик.
Это может предложить новый способ производства эффективных нелинейно-оптических кристаллов с атомной точностью. Они могут использоваться в широком спектре лазеров (например, зеленые лазерные указки), оптической спектроскопии, визуализации и метрологических системах. И, что, возможно, наиболее важно, они могли бы предоставить компактные средства для генерации запутанных фотонов и одиночных фотонов для оптической обработки квантовой информации и вычислений следующего поколения.
Эта работа была проведена в сотрудничестве с Исследовательским центром Energy Frontier по программируемым квантовым материалам в Колумбии совместно с теоретическими сотрудниками Института структуры и динамики материи им. Макса Планка . Изготовление устройства частично производилось в чистом помещении Columbia Nano Initiative .
«Мы надеемся, – сказал Шак, – что эта демонстрация станет новым поворотом в продолжающемся повествовании, направленном на использование и контроль свойств материалов."