Niet lang na de ontwikkeling van de eerste laser in 1960 ontdekten wetenschappers dat het schijnen van een straal door bepaalde kristallen licht van een andere kleur produceerde; specifieker, het produceerde licht van precies twee keer de frequentie van het origineel. Het fenomeen werd de tweede harmonische generatie genoemd.

De groene laserpointers die tegenwoordig worden gebruikt om presentaties te illustreren, zijn gebaseerd op deze wetenschap, maar het produceren van zo'n mooie smaragdgroene straal is geen sinecure. Het groene licht begint als een infraroodstraal die eerst door een kristal moet worden verwerkt, verschillende lenzen en andere optische elementen voordat het die PowerPoint op het scherm voor je kan verlichten.

Later werd ontdekt dat het aanleggen van een elektrisch veld op sommige kristallen een soortgelijk, hoewel zwakker, lichtstraal. Deze tweede ontdekking, bekend als EFISH - voor door elektrische velden geïnduceerde tweede harmonische lichtgeneratie - heeft grotendeels geleid tot een interessant stukje wetenschappelijke kennis en weinig meer. EFISH-apparaten zijn groot, veeleisende lasers met hoog vermogen, grote kristallen en duizenden volts aan elektriciteit om het effect te produceren. Als resultaat, ze zijn onpraktisch voor alle, behalve een paar toepassingen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap , ingenieurs van Stanford hebben een nieuw apparaat gedemonstreerd dat EFISH-apparaten tot op nanoschaal verkleint. Het resultaat is een ultracompacte lichtbron met zowel optische als elektrische functies. Onderzoeksimplicaties voor het apparaat variëren van een beter begrip van fundamentele wetenschap tot verbeterde datacommunicatie.

Veerbelaste elektronen

Het apparaat is gebaseerd op de fysieke krachten die elektronen binden in een baan rond een kern.

"Het is als een lente, zei Mark Brongersma, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford.

In de meeste gevallen, als je een licht op een atoom schijnt, de toegevoegde energie zal het elektron zeer voorspelbaar wegtrekken van de positief geladen kern, op een lineaire manier, zodat wanneer het licht wordt uitgeschakeld en het elektron terugspringt naar zijn oorspronkelijke baan, de energie die vrijkomt is dezelfde als het licht dat het verplaatste.

De sleutelzin hier is:"in de meeste gevallen". Wanneer de lichtbron een laser met hoge intensiteit is die op een vaste stof schijnt, onderzoekers ontdekten dat hoe verder de elektronen van de kernen worden weggetrokken, hoe minder lineair het licht interageert met de atomen.

"Met andere woorden, de interactie tussen licht en materie wordt niet-lineair, " zei Alok Vasudev, een afgestudeerde student en co-auteur van het papier. "Het licht dat je uitstraalt is anders dan het licht dat je erin steekt. Schijn met een sterke nabij-infraroodlaser op het kristal en groen licht verschijnt precies tweemaal de frequentie."

Engineering mogelijkheden

"Nutsvoorzieningen, Alok en ik hebben deze kennis genomen en teruggebracht tot de nanoschaal, " zei de eerste auteur van de krant, Wenshan Cai, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Brongersma. "Voor het eerst hebben we een niet-lineair optisch apparaat op nanoschaal dat zowel optische als elektrische functionaliteit heeft. En dit biedt een aantal interessante technische mogelijkheden."

Voor veel fotonische toepassingen, inclusief signaal- en informatieverwerking, het is wenselijk om niet-lineaire lichtgeneratie elektrisch te manipuleren. Het nieuwe apparaat lijkt op een vlinderdas op nanoschaal met twee helften van symmetrisch bladgoud dat nadert, maar niet helemaal treffend, in het midden. Deze dunne spleet tussen de twee helften is gevuld met een niet-lineair materiaal. De smalheid is cruciaal. Het is slechts 100 nanometer in doorsnee.

"EFISH vereist een enorm elektrisch veld. Uit de basisfysica weten we dat de sterkte van een elektrisch veld lineair schaalt met de aangelegde spanning en omgekeerd met de afstand tussen de elektroden - kleinere afstand, sterker veld en vice versa, " zei Brongersma. "Dus, als u twee elektroden extreem dicht bij elkaar hebt geplaatst, zoals we doen in ons experiment, er zijn niet veel volt nodig om een ​​gigantisch elektrisch veld te produceren. In feite, het duurt slechts een enkele volt."

"Het is deze fundamentele wetenschap die ons in staat stelt om het apparaat met orden van grootte te verkleinen van de menselijke schaal tot de nanoschaal, ' zei Cai.

Voer plasmonica in

Het vakgebied van Brongersma, plasmonica, komt dan op het toneel. Plasmonics is de studie van een merkwaardig fysiek fenomeen dat optreedt wanneer licht en metaal op elkaar inwerken. Als fotonen metaal raken, produceren ze energiegolven die naar buiten stromen over het oppervlak van het metaal, zoals de rimpelingen wanneer een kiezelsteen in een vijver valt.

Ingenieurs hebben geleerd de richting van de rimpelingen te beheersen door het oppervlak van het metaal zo te vormen dat bijna alle energiegolven naar binnen worden geleid naar de spleet tussen de twee metalen elektroden.

Het licht valt in de spleet alsof het over de rand van een waterval gaat en daar wordt het intenser, licht dat zo'n 80 keer sterker is dan de toch al intense laserniveaus waar het vandaan kwam. De onderzoekers zetten vervolgens een bescheiden spanning op het metaal, wat resulteert in het enorme elektrische veld dat nodig is om een ​​EFISH-straal te produceren.

Praktische toepassingen

"Dit type apparaat kan op een dag toepassing vinden in de communicatie-industrie, ", zegt Brongersma. "De meeste massa's informatie en sociale media-interactie die we via onze datacenters verzenden, en de toekomstige gegevens die we ooit zullen creëren, worden opgeslagen en overgedragen als elektrische energie - enen en nullen."

"Die enen en nullen zijn slechts een schakelaar; een is aan, nul is uit, ", zei Cai. "Omdat energiezuiniger optisch informatietransport snel aan belang wint, het is geen grote sprong om te zien waarom apparaten die elektrische naar optische signalen en terug kunnen converteren, van grote waarde zijn."

Voorlopig, echter, de onderzoekers waarschuwen dat praktische toepassingen op de weg blijven, maar ze hebben iets nieuws gecreëerd.

"Het is een geweldig stuk basiswetenschap, ", aldus Brongersma. "Het is werk dat verschillende disciplines combineert:niet-lineaire optica, elektronica, plasmonica, en engineering op nanoschaal - tot een echt interessant apparaat dat ons een tijdje bezig kan houden."