De onderzoeksfocus op 2D-materialen is geïntensiveerd met zijn potentieel om licht te moduleren voor superieure prestaties en toepassingen te realiseren die bestaande technologieën kunnen verbeteren. grafeen, het bekendste 2D-materiaal, afgeleid van 3D-grafiet, vormt een monolaag van koolstofatomen gerangschikt in een 2-D hexagonaal rooster, sterke ultrabreedband interacties tussen licht en materie vertonen, in staat om te werken op een extreem breed spectraal bereik, geschikt voor de volgende generatie fotonica en opto-elektronische apparaten. De unieke elektronische eigenschappen van grafeen zijn afkomstig van Dirac-kegels, kenmerken in elektronische bandstructuren die ladingsdragers hosten met een effectieve massa van nul, zogenaamde massaloze Dirac-fermionen die voorkomen in 2D-materialen. Materiaalwetenschappers bevinden zich momenteel in een stadium van experimentele kinderschoenen om veel interessante eigenschappen van de niet-lineaire optische reacties van grafeen te realiseren, om zijn belofte te ondersteunen om bestaande technologie te verstoren en brede toepassingen mogelijk te maken.

De geboorte van niet-lineaire optica wordt toegeschreven aan een experiment dat in 1961 werd uitgevoerd door Peter Franken en medewerkers met een gepulste robijnlaser, waarin ze het niet-lineaire effect van de generatie van de tweede harmonische (SHG, frequentieverdubbeling) voor de eerste keer. Dynamische controle van optische niet-lineariteiten blijft momenteel beperkt tot onderzoekslaboratoria als een spectroscopisch hulpmiddel.

Nu aan het schrijven Natuurfotonica , Tao Jiang et al. melden dat niet-lineaire derde harmonische generatie (THG, frequentieverdrievoudiging) kan op grote schaal worden afgestemd in grafeen met behulp van een elektrische poortspanning. Dit heeft veel potentiële toepassingen:gate-tunable, niet-lineaire optische mechanismen van grafeen en andere 2D-grafeenachtige materialen zijn wenselijk om toekomstige on-chip fotonische en opto-elektronische toepassingen te ontwikkelen met extreem hoge snelheid en complementaire metaaloxidehalfgeleider (CMOS) compatibiliteit voor de fabricage van apparaten. Elektrisch afstembare generatie van tweede harmonische werd eerder gerapporteerd in andere 2D-materialen, zoals wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) met excitonen, hoewel de spectrale bandbreedte beperkt was. Experimenteel, afstemmen van de ingangsfrequenties of de chemische potentiaal (E _F ) van grafeen kan gedetailleerde informatie geven over de niet-lineaire optische respons van de derde orde, tot nu toe in theorie gesuggereerd.

Niet-lineaire processen van de derde orde zijn ook bekend als viergolfmenging, terwijl ze drie velden mengen om een ​​vierde te produceren. De laatste resultaten van Jiang et al. voortkomen uit het vermogen om de chemische potentiaal aan te passen (E _F ) van grafeen en elektrisch in- of uitschakelen van enkel foton en multifoton resonante overgangen met ion-gel gating (ook bekend als gate-gestuurde doping), voor een bepaalde set ingangsfrequenties. De experimentele resultaten kwamen goed overeen met theoretische berekeningen om een ​​stevige basis te bieden voor het begrijpen van niet-lineaire optische processen van de derde orde in grafeen en grafeenachtige Dirac-materialen.

De werkingsbandbreedte van gate-afstembare THG varieerde van ~ 1300 nm tot 1650 nm, bestrijkt het meest voorkomende spectrale bereik voor telecommunicatie via optische vezels bij 1550 nm. Zo'n brede werkingsbandbreedte was het gevolg van de energieverdeling van de grafeen Dirac-fermionen. De observatie is vergelijkbaar met een parallel onderzoek gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie om de THG-efficiëntie (THGE) van grafeen elektrisch te regelen, eveneens toegeschreven aan massaloze Dirac-fermionen. Algemeen, de experimenteel waargenomen breedband gate-afstembare optische niet-lineariteiten van grafeen bieden een nieuwe benadering om elektrisch afstembare niet-lineaire optische apparaten in de praktijk te bouwen.

Bestaande elektronische verbindingen (koperen kabels) bijvoorbeeld, bandbreedteverlies lijden als gevolg van prestatiebeperkingen, het belemmeren van versnelde informatieverwerking die nodig is voor mediastreaming, cloudcomputing en het internet der dingen (IoT). Er bestaat een groeiende behoefte om licht te reguleren en compacte, kostenefficiënt, hoogwaardige optische verbindingen voor hogere bandbreedte en minder verlies.

Toekomstige onderzoeksinspanningen zullen waarschijnlijk de waargenomen effecten verbeteren met behulp van een verscheidenheid aan benaderingen, waaronder golfgeleider / vezelintegratie en optische resonatoren. In aanvulling, verschillende polaritons en fotonische metamaterialen kunnen lokale verbetering en manipulatie van optische niet-lineariteiten in 2D-materialen bieden om oppervlakteplasmonen te creëren en de verwachte uitdagingen van niet-lineaire nanofotonica en de ontwikkeling van nanofysica-apparaten aan te pakken, met geavanceerde optische oplossingen.

De kennis kan worden uitgebreid naar andere niet-lineaire optische processen in grafeen, inclusief het genereren van harmonischen van hoge orde. De bestaande technologie met traditionele bulkkristallen heeft een technische limiet bereikt om de beoogde opto-elektronische toepassingen te realiseren, vanwege hun relatief kleine niet-lineaire optische gevoeligheid en de complexe en dure, fabricage- en integratiemethoden. De aangetoonde verbetering van de niet-lineaire optische interactie in 2D-materialen zou idealiter moeten worden ontwikkeld naast grootschalige en hoogwaardige 2D-materiaalproductie, om totaal verschillende benaderingen voor elektrisch afstembare nanodevice constructie mogelijk te maken. Dergelijke nanodevices kunnen de voorgestelde vooruitgang in de metrologie vergemakkelijken, voelen, in beeld brengen, kwantumtechnologie en telecommunicatie.

© 2018 Fys.org