Kontrolowanie nieliniowości optycznej: nowa intrygująca technika

Optyka nieliniowa, dziedzina zajmująca się interakcją silnego światła z materią, odgrywa ważną rolę w zastosowaniach optycznych, takich jak ultraszybkie przetwarzanie sygnałów, ultraszybkie przełączniki, lasery i czujniki. Poprzez odkrycie nowych zastosowań światła optyka nieliniowa sprzyja postępom w dziedzinach takich jak badania medyczne, komunikacja oraz pozyskiwanie energii słonecznej.

Badacze wspierani przez finansowane ze środków UE projekty QSpec-NewMat i PeSD-NeSL opracowali nową metodę modulowania ważnego procesu w optyce nieliniowej zwanego generowaniem drugiej harmonicznej (ang. second harmonic generation, SHG). W SHG, zwanym również podwajaniem częstotliwości, dwa fotony o tej samej częstotliwości wchodzą w interakcję z materiałem nieliniowym i łączą się, tworząc przy tym nowy foton o energii dwa razy większej niż energia pierwotnych fotonów. Materiałem 2D wykorzystanym przez naukowców w tym procesie optycznym jest heksagonalny azotek boru. „Jako pierwsi wykorzystaliśmy umożliwiającą dynamiczne dostosowanie symetrię materiałów 2D na potrzeby nieliniowych zastosowań optycznych”, zauważył profesor nadzwyczajny James Schuck z Uniwersytetu Columbia w komunikacie prasowym opublikowanym na portalu internetowym „EurekAlert!”. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Science Advances”.Właściwości elektryczne materiałów 2D znacząco się zmieniają zależnie od kąta pomiędzy ich warstwami. Członkowie zespołu badawczego wykazali, że obracanie lub skręcanie jednej warstwy w stosunku do drugiej, zwane „twistroniką” (ang. „twist” – „skręcać”), ma zastosowanie również do właściwości optycznych. „Nazywamy tę nową dziedzinę badań »twistoptyką«”, mówi współautor badania, prof. Nadzwyczajny Schuck. „Nasze podejście polegające na »wykręcaniu« optyki pokazuje, że możemy teraz uzyskać ogromne nieliniowe reakcje optyczne w bardzo małych wolumenach – przy warstwach o grubości zaledwie kilku atomów. Umożliwi nam to na przykład wytwarzanie fotonów splątanych o znacznie mniejszych wymiarach, kompatybilnych z chipami. Co więcej, uzyskiwaną reakcję można całkowicie dostosować do potrzeb”.

Większość konwencjonalnych nieliniowych kryształów optycznych ma sztywne struktury, przez co trudno jest kontrolować właściwości optyczne materiałów. Zespół rozwiązał ten problem pozyskania niezbędnej kontroli poprzez wykorzystanie kryształów van der Waalsa. Słabe siły działające pomiędzy warstwami kryształów ułatwiają zmianę ich położenia. Cienkie warstwy azotku boru (który cechuje się słabymi interakcjami van der Waalsa pomiędzy warstwami) ułożono jedną na drugiej, skręcając je pod różnymi kątami.Badacze byli w stanie precyzyjnie dostosować optyczne SHG, korzystając z urządzeń wywołujących mikroobroty. Udało im się również znacząco zwiększyć poziom SHG, korzystając z pionowych supersieci van der Waalsa z licznymi skręconymi interfejsami. „Wykazaliśmy, że nieliniowy sygnał optyczny zwiększa swoją siłę o potęgę liczby skręconych interfejsów”, zauważa główny autor prac, Kaiyuan Yao z Uniwersytetu Columbia. „Sprawia to, że silna reakcja nieliniowa pojedynczego interfejsu staje się silniejsza o całe rzędy wielkości”. Taka wzmocniona reakcja nieliniowa wytwarzana w tym procesie może wskazywać na nową metodę precyzyjnej produkcji atomowej wydajnych nieliniowych kryształów optycznych. „Mamy nadzieję, że zaprezentowane możliwości zmienią obecne podejście do pozyskiwania materiałów i kontrolowania ich możliwości”, podsumowuje profesor Schuck.

Koordynatorem projektów QSpec-NewMat (Quantum Spectroscopy: exploring new states of matter out of equilibrium) oraz PeSD-NeSL (Photo-excited State Dynamics and Non-equilibrium States under Laser in Van der Waals Stacked Two-dimensional Materials) jest niemiecki Instytut Maksa Plancka ds. Struktury i Dynamiki Materii. Realizacja projektu QSpec-NewMat zakończy się we wrześniu 2021 roku, zaś realizacja projektu PeSD-NeSL – w czerwcu 2022 roku.

Więcej informacji:

strona projektu QSpec-NewMat

projekt PeSD-NeSL