Sinds de uitvinding van 's werelds eerste laser - de robijnlaser - in 1960, de menselijke wens om licht te beheersen heeft zich verspreid naar verschillende industrieën, inclusief telecommunicatie, medicijn, GPS, optische sensoren en optische computers. Onlangs, een POSTECH-onderzoeksteam is een stap dichter bij zijn doel gekomen om licht te beheersen door niet-lineaire optische verschijnselen te identificeren die optreden in heterobilagen die zijn samengesteld uit tweedimensionale materialen.

Een niet-lineair optisch fenomeen verwijst naar het optreden van licht waarvan de intensiteit niet wordt verdubbeld wanneer de optische ingangsintensiteit wordt verdubbeld, waarbij de resulterende uitvoer andere frequenties heeft dan de oorspronkelijke invoer. Dit fenomeen is gemakkelijk te begrijpen als je elektronen en kernen beschouwt als veer-verbonden oscillatoren. Wanneer de veer met een constante cyclus wordt bewogen, licht wordt gegenereerd door de oscillatie van elektronen en kernen. Als de veerkracht klein is, alleen licht met dezelfde frequentie als de uitgeoefende externe kracht wordt gevormd, maar als er een sterke kracht wordt uitgeoefend, licht met meerdere frequenties wordt geproduceerd. Tussen deze, licht met tweemaal de ingangsfrequentie staat bekend als 'tweede harmonische generatie' (SHG) licht. Het secundaire harmonische golffenomeen kan voorkomen in stoffen die niet puntsymmetrisch zijn, en onlangs is ontdekt dat de efficiëntie hoog is in 2-D halfgeleiderkristallen zoals molybdeendisulfide (MoS ₂ ) en wolfraamdisulfide (WS ₂ ).

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Sunmin Ryu en Wontaek Kim in het geïntegreerde MS/Ph.D-programma van de afdeling Scheikunde van POSTECH merkte op dat de secundaire harmonische golf geproduceerd door een heterobilaag materiaal (MoS ₂ /WS ₂ ) kon niet verklaard worden door het bestaande model, en bevestigde dat het werd veroorzaakt door de SHG-interferentie met verschillende fasen. Het team anticipeerde op het faseverschil in SHG door de resultaten van polariserende spectroscopie van heterolagen die het elliptisch gepolariseerde SHG-licht lieten zien. Het faseverschil dat direct werd gemeten via de secundaire harmonische golfinterferometer was kwantitatief consistent met de resultaten verkregen uit polariserende spectroscopie, hun hypothese te bewijzen. In aanvulling, DFT-berekeningen konden deze resultaten ondersteunen.

Tot dusver zijn SHG-onderzoeken van 2D-materialen meestal beperkt tot hun intensiteit, maar dit is de eerste keer dat de SHG-fase werd gemeten en er werd aangetoond dat er een verschil is in de SHG-fase tussen de twee materialen. Het onderzoek toonde de mogelijkheid aan om de fase van een SHG te beheersen.

"Het conventionele onderzoek was gericht op het identificeren van de oriëntatie van 2D-kristalmonsters met behulp van SHG-intensiteit en het beheersen ervan door externe stimuli, " merkte professor Sunmin Ryu op die de studie leidde. Hij voegde eraan toe:"Deze studie heeft niet alleen ons begrip van niet-lineaire optische fenomenen van 2D-materialen verbreed, maar opende ook nieuwe mogelijkheden voor niet-lineaire spectroscopische controlemethoden." Hij concludeerde, "De onderzoeksresultaten zullen naar verwachting een grote bijdrage leveren aan de beheersing van niet-lineaire optische fenomenen door 2D-materialen te gebruiken om nieuwe fotonen te produceren met tweemaal de frequentie van trillingen en gecontroleerde fase."