Polarisatie, synchroon. Op de macro, alledaags niveau, het leest als een oxymoron. Aan Xia Hong van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en haar mede-nanowetenschappers, Hoewel, de schijnbare tegenstrijdigheid heeft een soort harmonieuze betekenis. En het zou de ontwikkeling van kleinere, meer veelzijdige optische filters die bijzonder bedreven zijn in het spelen met een truc van het licht.

Die truc doet zich voor wanneer twee pakketten, of fotonen, licht valt op een materiaal en werpt een ander foton uit - een met dubbele energie en de helft van de golflengte - uit het materiaal. Omdat golflengten over het elektromagnetische spectrum verschillen, het fenomeen kan inkomende infrarode golven omzetten in golven van blauw licht, bijvoorbeeld, of dat zichtbare licht in ultraviolet.

Maar niet zomaar elk materiaal kan de truc uithalen, bekend als de tweede harmonische generatie. Eén materiaal dat dat wel kan:een atoomdun laagje molybdeendisulfide. Hong heeft verschillende jaren besteed aan het onderzoeken van de verschijnselen die ontstaan ​​door het koppelen van molybdeendisulfide met zogenaamde ferro-elektrische materialen, waarvan de uitlijning van positieve en negatieve ladingen zal omdraaien bij blootstelling aan een elektrisch veld.

Vorig jaar, zij en haar collega's bestudeerden hoe het optische gedrag van enkellaags molybdeendisulfide reageerde toen het bovenop een ferro-elektrisch materiaal werd geplaatst dat loodzirkonaattitanaat wordt genoemd, of PZT.

"We hadden niet veel verwacht, " zei Hong, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, "maar we zagen dit heel, heel vreemd effect."

In plaats van de generatie van de tweede harmonische uniform over het oppervlak waar te nemen, het team merkte op dat bepaalde segmenten het fenomeen versterkten, terwijl andere het dempten. De onderzoekers realiseerden zich ook dat het onverwachte patroon naar voren kwam bij de domeinmuren van de PZT, waar een sectie met positieve polarisatie - naar boven gerichte positieve ladingen gescheiden van naar beneden gerichte negatieve ladingen - een sectie met negatieve polarisatie ontmoette. Niet alleen dat:de intensiteit van de gereflecteerde tweede harmonische generatie afgewisseld door muur, zodat de eerste derde en vijfde muur versterkten het terwijl de tweede, vierde en zesde dempten het.

Aangezien het patroon alleen in beide materialen ontbrak, de onderzoekers dachten dat het moest voortkomen uit een interactie van de twee. Bij nader inzien, ze ontdekten dat vortexachtige wervelingen van de positieve en negatieve ladingen aan de bovenkant van de PZT-wanden - vergelijkbaar met de tornadische rotatie die kan optreden wanneer warme en koele lucht samenkomen - bijdroegen aan het effect.

Toen die rotatie overeenkwam met de polarisatie van het bovenliggende molybdeendisulfide, zodat de eerste met de klok mee ronddraaide terwijl de laatste van links naar rechts was uitgelijnd, of vice versa, het gereflecteerde tweede harmonische signaal verviervoudigde bijna in intensiteit. Toen die polarisaties tegen elkaar in gingen, het gereflecteerde signaal is vrijwel verdwenen.

De polarisatie van het invallende licht deed ertoe, te. Een elektrisch veld rond een straal van ongepolariseerd licht, zoals dat afkomstig van de zon, willekeurig naar alle kanten uitsteken. Het elektrische veld van gepolariseerd licht, daarentegen, zal zich aan één vlak houden - verticaal, horizontaal - of roteer rond de straal in een voorspelbare, cyclische manier. Hoewel binnenkomend licht dat onder bepaalde hoeken gepolariseerd was, bij reflectie een duidelijk tweede-harmonisch patroon produceerde, de signalen verdwenen toen het team de polarisatie van het licht aan andere hoeken aanpaste.

Wat betreft de golflengten die door de nanostructuur gingen, in plaats van erop te reflecteren? Het team vond een intensivering-mitigatiepatroon voor die, te. In plaats van afhankelijk te zijn van de match of mismatch van polarisatie tussen de materialen, Hoewel, de tweede harmonische generatie reageerde alleen op de polarisatie van de PZT-patches. Als licht onder bepaalde hoeken werd gepolariseerd, de PZT-patches met positieve polarisatie versterkten het signaal, terwijl de negatief gepolariseerde patches het dempten. En het aanpassen van de polarisatie van het licht kan de relatieve sterkte van die signalen omkeren.

Hong zei dat de gevoeligheid van de nanostructuur voor gepolariseerd licht, gecombineerd met de mogelijkheid om de polarisatie van de PZT elektrisch of mechanisch om te draaien, zorgt voor iets ongewoons:een optisch filter dat binnen enkele seconden kan worden geprogrammeerd en opnieuw geprogrammeerd.

"Het is op nanoschaal, en het kan worden gecontroleerd, Hong zei. "Dus je zou kunnen zeggen dat dit een slimmere manier van filteren is, omdat je het opnieuw kunt configureren. Het is geen uitgemaakte zaak. Ik kan de polarisatie zo schrijven, Ik kan het wissen, (dan) Ik kan het op een andere manier schrijven.

"Ik denk dat de sleutel echt is dat het een heel eenvoudige techniek is."

De veelzijdigheid van de techniek zou nuttig kunnen zijn bij het snel karakteriseren van materialen of stoffen, Hong zei, vooral de eigenschappen die de generatie van tweede harmonische beïnvloeden of reacties op de polarisatie van licht dicteren. Hoewel de techniek niet echt geschikt is voor de routine, toepassingen van gepolariseerde filtering op macroniveau:"Dit is duidelijk niet iets om je gepolariseerde bril mee te maken, " zei ze - Hong mijmerde over een verwante mogelijkheid.

"Als je een 3D-film op microschaal wilt maken, ’ waagde ze met een glimlach, "Dit is waarschijnlijk de manier om het te doen."

Hong en haar collega's rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .