Onderzoekers hebben een nieuwe volledig optische techniek gedemonstreerd voor het creëren van robuuste niet-lineaire effecten van de tweede orde in materialen die ze normaal niet ondersteunen. Met behulp van een laserpuls afgevuurd op een reeks gouden driehoeken op een titaniumdioxide (TiO ₂ ) plaat, de onderzoekers creëerden geëxciteerde elektronen die de frequentie van een straal van een tweede laser kort verdubbelden terwijl deze terugkaatste van de amorfe TiO ₂ plaat.

Door het assortiment optische materialen die nuttig zijn voor opto-elektronische toepassingen op micro- en nanoschaal uit te breiden, het werk zou optische ingenieurs nieuwe opties kunnen bieden voor het creëren van niet-lineaire effecten van de tweede orde, die van belang zijn op gebieden als optische computers, snelle gegevensverwerkers en bio-imaging veilig voor gebruik in het menselijk lichaam.

"Nu we de kristallijne symmetrie van traditioneel lineaire materialen zoals amorf titaniumdioxide optisch kunnen doorbreken, een veel breder scala aan optische materialen kan worden toegepast in de hoofdstroom van micro- en nanotechnologietoepassingen, zoals snelle optische gegevensprocessors, " zei Wenshan Cai, een professor aan de School of Electrical and Computer Engineering aan het Georgia Institute of Technology.

De proof-of-concept bevindingen werden op 2 januari gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Het onderzoek kreeg steun van het Office of Naval Research, de Nationale Wetenschapsstichting, en het Amerikaanse Department of Energy Office of Science.

De meeste optische materialen hebben meestal een symmetrische kristalstructuur die hun vermogen om niet-lineaire effecten van de tweede orde te creëren, zoals frequentieverdubbeling, die belangrijke technologische toepassingen hebben, beperkt. Tot nu, deze symmetrie kon alleen worden onderbroken door elektrische signalen of mechanische spanning op het kristal aan te brengen.

In het laboratorium, Cai en medewerkers Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee en Tianquan Lian creëerden een reeks kleine plasmonische gouden driehoeken op het oppervlak van een centrosymmetrische TiO ₂ plaat. Vervolgens verlichtten ze de TiO2/gouden structuur met een puls van rood laserlicht, die fungeerde als een optische schakelaar om de kristalsymmetrie van het materiaal te doorbreken. De amorfe TiO ₂ plaat zou van nature geen sterke niet-lineaire effecten van de tweede orde ondersteunen.

"De optische schakelaar wekt hoogenergetische elektronen op in de gouden driehoeken, en sommige elektronen migreren naar het titaniumdioxide vanaf de uiteinden van de driehoeken, Cai legde uit. "Sinds de migratie van elektronen naar de TiO ₂ plaat gebeurt voornamelijk aan de uiteinden van driehoeken, de elektronenmigratie is ruimtelijk een asymmetrisch proces, het vluchtig breken van de titaandioxide-kristalsymmetrie op een optische manier."

Het geïnduceerde symmetriebrekingseffect wordt bijna onmiddellijk waargenomen nadat de rode laserpuls is geactiveerd, verdubbeling van de frequentie van een tweede laser die vervolgens wordt teruggekaatst door het titaniumdioxide dat de geëxciteerde elektronen bevat. De levensduur van de geïnduceerde niet-lineariteit van de tweede orde hangt in het algemeen af ​​van hoe snel elektronen terug kunnen migreren van het titaniumdioxide naar de gouden driehoeken na het verdwijnen van de puls. In de door de onderzoekers gerapporteerde case study, het geïnduceerde niet-lineaire effect duurde enkele picoseconden, wat volgens de onderzoekers voldoende is voor de meeste toepassingen waarbij korte pulsen worden gebruikt. Een stabiele continue golflaser kan dit effect laten voortduren zolang de laser aan staat.

"De sterkte van de geïnduceerde niet-lineaire respons hangt sterk af van het aantal elektronen dat kan migreren van gouden driehoeken naar de titaniumdioxideplaat, " voegde Cai toe. "We kunnen het aantal gemigreerde elektronen regelen door de intensiteit van het rode laserlicht. Het verhogen van de intensiteit van de optische schakelaar genereert meer elektronen in de gouden driehoeken, en stuurt daarom meer elektronen de TiO . in ₂ plaat."

Er zal aanvullend onderzoek nodig zijn om voort te bouwen op de proof of concept, die voor het eerst aantoonde dat de kristalsymmetrie van centrosymmetrische materialen met optische middelen kan worden verbroken, via asymmetrische elektronenmigraties.

"Om de praktische criteria te benaderen die gedetailleerd zijn over de essentie van onze techniek, we moeten nog steeds richtlijnen ontwikkelen die ons vertellen welke combinatie van metaal/halfgeleidermateriaalplatform moet worden gebruikt, welke vorm en afmeting de sterkte van het geïnduceerde niet-lineaire effect van de tweede orde zou maximaliseren, en welk bereik van lasergolflengte moet worden gebruikt voor het schakellicht, ’ merkte Cai op.

Frequentieverdubbeling is slechts één mogelijke toepassing voor de techniek, hij zei.

"Wij zijn van mening dat onze bevindingen niet alleen verschillende mogelijkheden bieden op het gebied van niet-lineaire nanofotonica, maar zal ook een grote rol spelen op het gebied van kwantumelektronentunneling, " voegde Cai eraan toe. "Inderdaad, gebouwd op de verzamelde kennis op dit gebied, onze groep ontwikkelt nieuwe paradigma's om de geïntroduceerde symmetriebrekingstechniek te gebruiken als een optische sonde voor het bewaken van de kwantumtunneling van elektronen in hybride materiaalplatforms. Vandaag de dag, het bereiken van dit uitdagende doel is alleen mogelijk met scanning tunneling microscopie (STM) technieken, die erg traag zijn en een lage opbrengst en gevoeligheid vertonen."