Wetenschappers van het Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie, Korea, hebben een nieuw proces ontwikkeld dat zorgt voor een ultrasnel proces van fotonengeneratie in tweedimensionale materialen. Dit proces kan mogelijk de ontwikkeling van geavanceerde optische apparaten op het gebied van fotonica stimuleren.

fotonica, of de wetenschap van het manipuleren van licht, heeft verschillende toepassingen in moderne elektronica, zoals in informatietechnologie, halfgeleiders, en op gezondheid gebaseerde apparaten. Dus, onderzoekers wereldwijd zijn gefocust op het vinden van nieuwe benaderingen om vooruitgang op het gebied van fotonica te stimuleren. Maar, de uitdaging ligt in het naar wens optimaliseren van het proces van "fotonengeneratie", wat cruciaal is voor alle op fotonica gebaseerde toepassingen.

In een recente studie gepubliceerd in Nano-letters , een team van onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), onder leiding van professor J.D. Lee, een nieuw mechanisme ontwikkeld om de efficiëntie van fotonconversie in 2D-materialen te maximaliseren. De wetenschappers bereikten dit door een methode te onderzoeken die "niet-lineaire tweede-harmonische generatie" (SHG) wordt genoemd, een optisch proces waarbij twee fotonen met dezelfde frequentie een interactie aangaan met een niet-lineair materiaal en een nieuw foton genereren met twee keer zoveel energie, wat resulteert in een verdubbeling van de frequentie. "De efficiënte generatie van fotonen is een cruciaal onderdeel van de ontwikkeling van fotonische apparaten. In onze studie, we ontwikkelden een ultrasnel proces van fotonenconversie in een atomistisch laagmateriaal om op fotonica gebaseerde toepassingen te innoveren."

In hun studie hebben de wetenschappers concentreerden zich op een 2D-materiaal genaamd wolfraamdiselenide (WSe2), vanwege zijn intrigerende bandkenmerken. Bijvoorbeeld, dit materiaal bestaat uit verschillende "resonantiepunten" die gevoelig reageren op de absorptie van lichtdeeltjes die "fotonen" worden genoemd. Prof Lee zegt, "We hebben ons gericht op deze functie van WSe2 en hebben een nieuw proces onthuld om de 'kleur' ​​in fotonen om te zetten via de gemaximaliseerde dubbele resonantiemodus."

Op basis van SHG, de onderzoekers stelden een nieuwe methode voor genaamd "dual-resonant optical sum frequency generation" (SFG), waarin ze twee resonantiepunten in WSe2 selecteerden, A- en D-excitons genaamd, respectievelijk. Met behulp van deze methode, de onderzoekers ontdekten dat wanneer WSe2 wordt bestraald met behulp van twee excitatiepulsen (ω1 en ω2), waarbij een van de twee pulsen (ω1) is afgestemd op A-exciton en hun somfrequentie (ω1 + ω2) op de D-exciton, het signaal is 20 keer hoger dan de single-resonant mode! Niet alleen dit, de intensiteit die met deze methode werd geproduceerd, bleek onder dezelfde omstandigheden een orde van grootte hoger te zijn dan SHG. Deze bevindingen werden vervolgens bevestigd met behulp van verschillende technieken, inclusief dichtheidsfunctionaaltheorie en optische experimenten. Prof Lee stelt, "Onze voorgestelde dual-resonante SFG-methode biedt nieuwe wetenschappelijke inzichten in niet alleen niet-lineaire spectroscopische en microscopische methoden, maar ook niet-lineaire optica en technologie met behulp van tweedimensionale halfgeleiders."

Deze bevindingen laten een enorm potentieel zien voor de ontwikkeling van geavanceerde fotonische apparaten. Prof Lee concludeert, "Onze studie kan mogelijk op fotonica gebaseerde toepassingen naar een hoger niveau tillen, bijvoorbeeld goedkopere diagnostische methoden door betere optische beeldvormende instrumenten in de nabije toekomst."