Niet-lineaire optica, een studie van hoe licht interageert met materie, is van cruciaal belang voor veel fotonische toepassingen, van de groene laserpointers die we allemaal kennen tot intense breedband (witte) lichtbronnen voor kwantumfotonica die optische kwantumcomputers mogelijk maken, beeldvorming met superresolutie, optische detectie en bereik, en meer. Door niet-lineaire optica, onderzoekers ontdekken nieuwe manieren om licht te gebruiken, van het nader bekijken van ultrasnelle processen in de natuurkunde, biologie, en chemie om de communicatie en navigatie te verbeteren, zonne-energie oogsten, medische testen, en cyberbeveiliging.

Onderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze een nieuwe, efficiënte manier om een ​​belangrijk type niet-lineair optisch proces te moduleren en te verbeteren:optische tweede harmonische generatie - waarbij twee ingangsfotonen in het materiaal worden gecombineerd om één foton te produceren met tweemaal de energie - van hexagonaal boornitride via micromechanische rotatie en meerlaagse stapeling. Het onderzoek is op 3 maart online gepubliceerd door wetenschappelijke vooruitgang .

"Ons werk is het eerste dat gebruikmaakt van de dynamisch afstembare symmetrie van 2D-materialen voor niet-lineaire optische toepassingen, " zei James Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die samen met James Hone de studie leidde, Wang Fong-Jen Hoogleraar Werktuigbouwkunde.

Een hot topic op het gebied van 2D-materialen is het onderzoeken hoe het draaien of roteren van de ene laag ten opzichte van de andere de elektronische eigenschappen van het gelaagde systeem kan veranderen - iets dat niet kan worden gedaan in 3D-kristallen omdat de atomen gebonden zijn zo dicht bij elkaar in een 3D-netwerk. Het oplossen van deze uitdaging heeft geleid tot een nieuw onderzoeksgebied dat 'twistronica' wordt genoemd. In deze nieuwe studie het team gebruikte concepten uit twistronics om aan te tonen dat ze ook van toepassing zijn op optische eigenschappen.

"We noemen dit nieuwe onderzoeksgebied 'twistoptics, '", zei Schuck. "Onze twistoptische benadering toont aan dat we nu gigantische niet-lineaire optische responsen kunnen bereiken in zeer kleine volumes - slechts enkele atomaire laagdiktes - waardoor, bijvoorbeeld, verstrengelde fotonengeneratie met een veel compacter, chip-compatibele voetafdruk. Bovendien, de respons is volledig afstembaar op aanvraag."

De meeste van de huidige conventionele niet-lineaire optische kristallen zijn gemaakt van covalent gebonden materialen, zoals lithiumniobaat en bariumboraat. Maar omdat ze starre kristalstructuren hebben, het is moeilijk om hun niet-lineaire optische eigenschappen te ontwikkelen en te controleren. Voor de meeste toepassingen, Hoewel, enige mate van controle over de niet-lineaire optische eigenschappen van een materiaal is essentieel.

De groep ontdekte dat van der Waals meerlaagse kristallen een alternatieve oplossing bieden voor het construeren van optische niet-lineariteit. Dankzij de extreem zwakke tussenlaagkracht, de onderzoekers konden de relatieve kristaloriëntatie tussen aangrenzende lagen gemakkelijk manipuleren door micromechanische rotatie. Met de mogelijkheid om de symmetrie te beheersen op de limiet van de atomaire laag, ze demonstreerden nauwkeurige afstemming en gigantische verbetering van optische tweede harmonische generatie met microrotator-apparaten en superroosterstructuren, respectievelijk. Voor de superroosters, het team gebruikte eerst laagrotatie om "gedraaide" interfaces tussen lagen te creëren die een extreem sterke niet-lineaire optische respons opleveren, en vervolgens verschillende van deze "gedraaide" interfaces op elkaar gestapeld.

"We toonden aan dat het niet-lineaire optische signaal eigenlijk schaalt met het kwadraat van het aantal gedraaide interfaces, " zei Kaiyuan Yao, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Schuck en co-hoofdauteur van het artikel. "Dus dit maakt de toch al grote niet-lineaire respons van een enkele interface-orden van grootte nog sterker."

De bevindingen van de groep hebben verschillende mogelijke toepassingen. Afstembare tweede harmonische generatie van microrotators zou kunnen leiden tot nieuwe on-chip transducers die micromechanische beweging koppelen aan gevoelige optische signalen door mechanische beweging in licht om te zetten. Dit is van cruciaal belang voor veel sensoren en apparaten zoals atomic force microscopen.

Het stapelen van meerdere dunne boornitride-films op elkaar met een gecontroleerde draaihoek toonde een sterk verbeterde niet-lineaire respons. Dit zou een nieuwe manier kunnen bieden om efficiënte niet-lineaire optische kristallen met atomaire precisie te vervaardigen. Deze kunnen worden gebruikt in een breed laserbereik (zoals de groene laserpointers), optische spectroscopie, in beeld brengen, en metrologische systemen. En misschien wel het belangrijkste, ze zouden een compact middel kunnen bieden voor het genereren van verstrengelde fotonen en enkele fotonen voor de volgende generatie optische kwantuminformatieverwerking en -verwerking.

Dit werk was een samenwerking die werd uitgevoerd in het Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials in Columbia, met theoriemedewerkers bij Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. De fabricage van het apparaat gebeurde gedeeltelijk in de cleanroom van het Columbia Nano Initiative.

"Wij hopen, "Schuck zei, "dat deze demonstratie een nieuwe draai geeft aan het lopende verhaal dat gericht is op het benutten en beheersen van de eigenschappen van materialen."