Elektrotechnici van de Duke University hebben ontdekt dat het veranderen van de fysieke vorm van een klasse materialen die gewoonlijk wordt gebruikt in elektronica en nabij- en midden-infraroodfotonica - chalcogenideglazen - hun gebruik kan uitbreiden naar de zichtbare en ultraviolette delen van het elektromagnetische spectrum. Reeds commercieel gebruikt in detectoren, lenzen en optische vezels, chalcogenide-brillen kunnen nu een thuis vinden in toepassingen zoals onderwatercommunicatie, milieumonitoring en biologische beeldvorming.

De resultaten verschijnen op 5 oktober online in het tijdschrift Natuur Communicatie.

Zoals de naam impliceert, chalcogenideglazen bevatten een of meer chalcogenen—chemische elementen zoals zwavel, selenium en telluur. Maar er is één lid van de familie dat ze weglaten:zuurstof. Door hun materiaaleigenschappen zijn ze een sterke keuze voor geavanceerde elektronische toepassingen zoals optisch schakelen, ultraklein direct laserschrijven (denk aan kleine herschrijfbare cd's) en moleculaire vingerafdrukken. Maar omdat ze de golflengten van licht in de zichtbare en ultraviolette delen van het elektromagnetische spectrum sterk absorberen, Chalcogenideglazen zijn al lang beperkt tot het nabij- en midden-infrarood met betrekking tot hun toepassingen in fotonica.

"Chalcogeniden worden al heel lang gebruikt in de nabije en midden-IR, maar ze hebben altijd de fundamentele beperking gehad dat ze verliesgevend zijn bij zichtbare en UV-golflengten, " zei Natalia Litchinitser, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Maar recent onderzoek naar hoe nanostructuren de manier waarop deze materialen reageren op licht beïnvloeden, gaf aan dat er een manier is om deze beperkingen te omzeilen."

In recent theoretisch onderzoek naar de eigenschappen van galliumarsenide (GaAs), een halfgeleider die veel wordt gebruikt in de elektronica, de medewerkers van Litchinitser, Michael Scalora van het CCDC Aviation and Missile Center van het Amerikaanse leger en Maria Vincenti van de Universiteit van Brescia voorspelden dat nanogestructureerde GaAs anders op licht zou kunnen reageren dan zijn bulk- of zelfs dunne-film-tegenhangers. Vanwege de manier waarop optische pulsen met hoge intensiteit interageren met het nanogestructureerde materiaal, zeer dunne draden van het materiaal die naast elkaar zijn opgesteld, kunnen harmonische frequenties van hogere orde (kortere golflengten) creëren die er doorheen kunnen reizen.

Stel je een gitaarsnaar voor die is gestemd om te resoneren op 256 Hertz - ook wel bekend als de middelste C. De onderzoekers stelden voor dat als het precies goed is gefabriceerd, deze snaar kan bij tokkelen ook trillen op frequenties die een of twee octaven hoger zijn in kleine hoeveelheden.

Litchinitser en haar Ph.D. student Jiannan Gao besloot om te kijken of hetzelfde zou kunnen gelden voor chalcogenide-brillen. Om de theorie te testen, collega's van het Naval Research Laboratory plaatsten een 300 nanometer dunne film van arseentrisulfide op een glazen substraat dat vervolgens werd nanogestructureerd met behulp van elektronenstraallithografie en reactieve ionenetsing om arseentrisulfide-nanodraden van 430 nanometer breed en 625 nanometer uit elkaar te produceren.

Hoewel arseentrisulfide licht boven 600 THz volledig absorbeert - ongeveer de kleur van cyaan - ontdekten de onderzoekers dat hun nanodraden kleine signalen uitzenden bij 846 THz, die precies in het ultraviolette spectrum ligt.

"We ontdekten dat het verlichten van een meta-oppervlak gemaakt van oordeelkundig ontworpen nanodraden met nabij-infrarood licht resulteerde in het genereren en verzenden van zowel de oorspronkelijke frequentie als de derde harmonische, wat erg onverwacht was omdat de derde harmonische binnen het bereik valt waar het materiaal het zou moeten absorberen, ' zei Litchinitser.

Dit contra-intuïtieve resultaat is te wijten aan het effect van niet-lineaire generatie van derde harmonische en zijn "fasevergrendeling" met de oorspronkelijke frequentie. "De eerste puls vangt de derde harmonische op en misleidt het materiaal om ze allebei door te laten zonder enige absorptie, ' zei Litchinitser.

Vooruit gaan, Litchinitser en haar collega's onderzoeken of ze verschillende vormen van chalcogeniden kunnen ontwikkelen die deze harmonische signalen nog beter kunnen dragen dan de oorspronkelijke nanostrips. Bijvoorbeeld, ze geloven dat paren van lange, dun, Lego-achtige blokken op bepaalde afstanden van elkaar kunnen een sterker signaal creëren op zowel de derde als de tweede harmonische frequentie. Ze voorspellen ook dat het opstapelen van meerdere lagen van deze meta-oppervlakken op elkaar het effect zou kunnen versterken.

Indien succesvol, de aanpak zou een breed scala aan zichtbare en ultraviolette toepassingen kunnen ontsluiten voor populair elektronisch materiaal en midden-infrarood fotonische materialen die lange tijd zijn uitgesloten van deze hogere frequenties.