Lasers zijn overal. Apparaten die ze gebruiken, verzenden informatie en maken het bestaan ​​van langeafstandscommunicatie en internet mogelijk; ze helpen artsen bij het uitvoeren van operaties en ingenieurs die geavanceerde hulpmiddelen en technologieën vervaardigen; en elke dag komen we lasers tegen als we onze boodschappen scannen en dvd's kijken. "In de zestig jaar sinds ze werden uitgevonden, hebben lasers ons leven absoluut veranderd", zegt Giulio Cerullo, een niet-lineaire optica-onderzoeker aan de Politecnico di Milano in Italië.

Vandaag, met de hulp van nieuw onderzoek van Cerullo en medewerkers van Columbia University, gepubliceerd in Nature Photonics , staan ​​apparaten die lasers gebruiken op het punt een heel stuk kleiner te worden.

Werkend in het laboratorium van ingenieur James Schuck in Columbia, Ph.D. student Xinyi Xu en postdoc Chiara Trovatello bestudeerden een 2D-materiaal genaamd molybdeendisulfide (MoS₂ ). Ze karakteriseerden hoe efficiënt apparaten zijn opgebouwd uit stapels MoS₂ minder dan een micron dik - dat is 100 keer dunner dan een mensenhaar - zetten lichtfrequenties op telecomgolflengten om om verschillende kleuren te produceren.

Dit nieuwe onderzoek is een eerste stap in de richting van het vervangen van de standaardmaterialen die worden gebruikt in de afstembare lasers van vandaag, die worden gemeten in millimeters en centimeters, zei Trovatello, die onlangs haar Ph.D. met Cerullo in Milaan. "Niet-lineaire optica is momenteel een macroscopische wereld, maar we willen het microscopisch maken", zei ze.

Lasers geven een speciaal soort coherent licht af, wat betekent dat alle fotonen in de bundel dezelfde frequentie en dus dezelfde kleur hebben. Lasers werken alleen op specifieke frequenties, maar apparaten moeten vaak verschillende kleuren laserlicht kunnen gebruiken. Een groene laserpointer wordt bijvoorbeeld geproduceerd door een infraroodlaser die door een macroscopisch materiaal wordt omgezet in een zichtbare kleur. Onderzoekers gebruiken niet-lineaire optische technieken om de kleur van laserlicht te veranderen, maar conventioneel gebruikte materialen moeten relatief dik zijn om kleurconversie efficiënt te laten plaatsvinden.

MoS₂ is een van de meest bestudeerde voorbeelden van een opkomende klasse van materialen, overgangsmetaaldichalcogeniden genaamd, die in atomair dunne lagen kunnen worden afgepeld. Enkele lagen MoS₂ kunnen lichtfrequenties efficiënt omzetten, maar zijn eigenlijk te dun om te worden gebruikt om apparaten te bouwen. Grotere kristallen van MoS_2, ondertussen zijn ze meestal stabieler in een niet-kleuromzettende vorm. Om de benodigde kristallen te fabriceren, bekend als 3R-MoS₂ , werkte het team samen met de commerciële 2D-materiaalleverancier HQ Graphene.

Met 3R-MoS₂ in de hand begon Xu monsters van verschillende diktes af te pellen om te testen hoe efficiënt ze de frequentie van het licht konden omzetten. De resultaten waren meteen spectaculair. "In de wetenschap begin je zelden aan een project dat uiteindelijk beter werkt dan je verwacht - meestal is het tegenovergestelde het geval. Dit was een zeldzaam, magisch geval", merkte Schuck op. Meestal zijn speciale sensoren nodig om het door een monster geproduceerde licht te registreren, en het duurt even voordat ze dat doen, legt Xu uit. "Met 3R-MoS₂ , konden we de extreem grote verbetering bijna onmiddellijk zien", zei hij. Het team registreerde deze conversies met name op telecomgolflengten, een belangrijk kenmerk voor potentiële optische communicatietoepassingen, zoals het leveren van internet- en televisiediensten.

Bij een gelukkig ongeluk tijdens één scan, concentreerde Xu zich op een willekeurige rand van een kristal en zag hij franjes die suggereerden dat er golfgeleidermodi in het materiaal aanwezig waren. Golfgeleidermodi houden verschillende kleurenfotonen, die anders met verschillende snelheden over het kristal bewegen, synchroon en kunnen mogelijk worden gebruikt om zogenaamde verstrengelde fotonen te genereren, een belangrijk onderdeel van kwantumoptica-toepassingen. Het team gaf hun apparaten af ​​aan het laboratorium van natuurkundige Dmitri Basov, waar zijn postdoc Fabian Mooshammer hun vermoeden bevestigde.

Momenteel is lithiumniobaat het meest populaire kristal voor golfgeleide conversie en het genereren van verstrengelde fotonen, een hard en stijf materiaal dat redelijk dik moet zijn om bruikbare conversie-efficiëntie te bereiken. 3R-MoS₂ is even efficiënt, maar 100 keer kleiner en flexibel genoeg om te worden gecombineerd met silicium fotonische platforms om optische circuits op chips te creëren, waarbij het traject van steeds kleinere elektronica wordt gevolgd.

Met dit proof-of-concept-resultaat is het knelpunt voor real-life toepassingen de grootschalige productie van 3R-MoS₂ en high-throughput structurering van apparaten. Daar, zegt het team, zal de industrie het over moeten nemen. Met dit werk hopen ze de belofte van 2D-materialen te hebben aangetoond.

"Ik werk nu al meer dan dertig jaar aan niet-lineaire optica. Onderzoek is meestal incrementeel en bouwt langzaam voort op wat eerder was. Het is zeldzaam dat je iets compleet nieuws doet met een groot potentieel", zegt Cerullo. "Ik heb het gevoel dat dit nieuwe materiaal het spel kan veranderen." + Verder verkennen

Deze 'nanocaviteit' kan ultradunne zonnepanelen, videocamera's en meer verbeteren