Een internationaal onderzoeksteam heeft een manier gevonden om frequentieconversie van licht op nanoschaal 100 keer efficiënter te maken. De nieuwe methode is gebaseerd op geïsoleerde diëlektrische nanodeeltjes die zogenaamde gebonden toestanden in het continuüm ondersteunen. Dergelijke toestanden verschijnen wanneer stralingsvelden in het deeltje elkaar onderdrukken, zodat de elektromagnetische energie in het deeltje kan worden opgesloten. Deze voorspelling kan worden gebruikt voor een nieuwe generatie kleine frequentieconversieapparaten, nanolasers genaamd. Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 19 juli, 2018.

Een van de belangrijkste problemen van niet-lineaire nanofotonica is de frequentieomzetting van elektromagnetische straling op nanoschaal. Door de frequentie te veranderen, de straling kan worden omgezet van de ene spectrale band naar de andere:van terahertz naar infrarood, en van infrarood naar zichtbaar. Deze transformatie kan effectief worden uitgevoerd door macroscopische apparaten, maar het is een uitdaging om de frequentieconversie op nanoschaal te realiseren.

De interactie van nanodeeltjes met licht is heel bijzonder vanwege hun zeer kleine formaat. Daarom, om de efficiëntie van de frequentieomzetting van licht op nanoschaal te verhogen, het is noodzakelijk om energieverliezen te verminderen tijdens de belangrijkste processen die plaatsvinden in het nanodeeltje:stralingsinput, energie opsluiting, en niet-lineaire conversie.

Om al deze problemen op te lossen, een internationaal team van natuurkundigen van de ITMO University, Niet-lineair natuurkundig centrum van de Australian National University, en de Universiteit van Brescia in Italië stelden voor om nieuwe resonatoren op nanoschaal te gebruiken. Zij zijn, in essentie, schijfvormige diëlektrische nanodeeltjes met een hoge brekingsindex die de zogenaamde gebonden toestanden in het continuüm ondersteunen. Dergelijke toestanden kunnen worden gecreëerd wanneer verschillende soorten oscillaties van elektromagnetische energie in het deeltje elkaar wederzijds onderdrukken. Op deze manier, de energie van licht kan worden "opgesloten" in het deeltje.

wiskundig, de energie kan voor altijd worden vergrendeld, op voorwaarde dat de resonatoren absoluut ideaal zijn. In praktijk, het is mogelijk om licht voor een eindig, nog vrij lang, zelfs in een enkel nanodeeltje. Dit vereist een optimale verhouding van de deeltjesvorm, maat, en materiaal.

"Hoewel we eerder zulke eigenaardige diëlektrische nanoresonatoren hebben beschreven, we hebben hun praktische perspectieven nog niet geanalyseerd. Nutsvoorzieningen, samen met onze Italiaanse collega's Dr Luca Carletti en Prof Constantino De Angelis, we hebben berekend hoe deze resonator het licht met een dubbele frequentie genereert. De resultaten laten zien dat deze structuur helpt om de efficiëntie van de niet-lineaire processen met twee ordes van grootte te verhogen. Echter, dit was niet zo gemakkelijk, omdat we de optimale manier moesten vinden om de energie in de resonator te pompen. We kwamen erachter dat in ons geval, de invallende golf moest zo worden gepolariseerd dat hij langs de raaklijn aan de cirkel oscilleert. Dit valt samen met de structuur van het elektromagnetische veld in het deeltje, " zegt Kirill Koshelev, een lid van het International Metamaterial Laboratory van de ITMO University.

Als resultaat, het onderzoeksteam slaagde erin om een ​​recordhoge efficiëntie van frequentieverdubbeling van licht te bereiken met diëlektrische nanodeeltjes. Nutsvoorzieningen, in plaats van een honderdste deel van een procent, het is mogelijk om tijdens de conversie tot enkele procenten van de lichtenergie te besparen. Dit resultaat maakt de weg vrij voor experimentele detectie van straling die wordt omgezet door een nanodeeltje, wat betekent dat de voorgestelde methode in praktische toepassingen kan worden gebruikt.

"We hebben een ontwerp voorgesteld van lichtconverters op nanoschaal die voor verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. ze kunnen worden gebruikt in platte optische apparaten voor nachtzicht die infraroodstraling omzetten in zichtbaar licht. Tegelijkertijd, het diëlektrische materiaal dat we hebben gekozen, aluminium-galliumarsenide, heeft volwassen fabricage technologie. Omdat het materiaal overal verkrijgbaar is, we verwachten dat ons idee en onze voorspellingen de verdere vooruitgang in niet-lineaire nanofotonica en meta-optica zullen stimuleren, " zegt professor Yuri Kivshar, co-voorzitter van de afdeling Nanophotonics and Metamaterials van de ITMO University en tevens Distinguished Professor van de Australian National University.