Naukowcy stworzyli nanostrukturę przypominającą dysk, która radykalnie poprawia wydajność konwersji częstotliwości światła. Ta innowacja w fotonice łączy rezonanse materiałowe i optyczne w kompaktowej formie, torując drogę zaawansowanym zastosowaniom optycznym i fotonicznym.
Naukowcy przy Politechnika Chalmersw Szwecji po raz pierwszy udało się połączyć dwie główne dziedziny badań w dziedzinie fotoniki, tworząc nanoobiekt o unikalnych właściwościach optycznych. Ponieważ obiekt jest tysiąc razy cieńszy od ludzkiego włosa, a jednocześnie ma dużą moc, przełom ma ogromny potencjał w rozwoju wydajnych i kompaktowych nieliniowych urządzeń optycznych. „Mam wrażenie, że to odkrycie ma ogromny potencjał” – mówi profesor Timur Shegai, który kierował badaniami w Chalmers.
Wykorzystanie światła dzięki zaawansowanej fotonice
Zastosowania fotoniczne wykorzystują siłę interakcji światła z materią do generowania różnych intrygujących zjawisk. Umożliwiło to znaczny postęp między innymi w komunikacji, medycynie i spektroskopii, a także jest wykorzystywane w technologiach laserowych i kwantowych. Teraz naukowcom z Wydziału Fizyki Politechniki Chalmers udało się połączyć dwie główne dziedziny badań – nanofotonikę nieliniową i wysokoindeksową – w jednym nanoobiekcie przypominającym dysk.
„Byliśmy zaskoczeni i szczęśliwi z tego, co udało nam się osiągnąć. Struktura przypominająca dysk jest znacznie mniejsza niż długość fali światła, a mimo to jest to bardzo wydajny przetwornik częstotliwości światła. Jest także 10 000 razy, a może nawet bardziej wydajny niż nieustrukturyzowany materiał tego samego rodzaju, co dowodzi, że nanostrukturyzacja jest sposobem na zwiększenie wydajności” – mówi dr Georgii Zograf, główna autorka artykułu w Fotonika Przyrody gdzie prezentowane są wyniki badań.
Przełom w wytwarzaniu nanostruktur
W pewnym uproszczeniu jest to połączenie rezonansów materiałowych i optycznych ze zdolnością do przekształcania częstotliwości światła poprzez nieliniowość kryształu, które badacze połączyli w nanodysku. Do produkcji wykorzystano dichalkogenek metalu przejściowego (TMD), a mianowicie dwusiarczek molibdenu, atomowo cienki materiał, który ma wyjątkowe właściwości optyczne w temperaturze pokojowej. Problem z tym materiałem polega jednak na tym, że bardzo trudno jest go układać w stosy bez utraty swoich nieliniowych właściwości ze względu na ograniczenia symetrii sieci krystalicznej.
„Po raz pierwszy wyprodukowaliśmy nanodysk ze specjalnie ułożonego dwusiarczku molibdenu, który zachowuje złamaną odwrotną symetrię swojej objętości, a tym samym utrzymuje nieliniowość optyczną. Taki nanodysk może zachować nieliniowe właściwości optyczne każdej pojedynczej warstwy. Oznacza to, że działanie materiału zostaje utrzymane i wzmocnione” – mówi Georgii Zograf.
Innowacyjna optyka o kompaktowej konstrukcji
Materiał charakteryzuje się wysokim współczynnikiem załamania światła, co oznacza, że w tym ośrodku światło może być skuteczniej kompresowane. Co więcej, materiał ma tę zaletę, że można go przenosić na dowolne podłoże bez konieczności dopasowywania sieci atomowej do materiału znajdującego się pod spodem. Nanostruktura jest również bardzo skuteczna w lokalizacji pola elektromagnetycznego i generowaniu z niego światła o podwójnej częstotliwości, co nazywa się generowaniem drugiej harmonicznej. Jest to na przykład tak zwane nieliniowe zjawisko optyczne, podobne do efektów generowania sumy i różnicy częstotliwości stosowanych w wysokoenergetycznych systemach laserów impulsowych.
Zatem ten nanodysk łączy w sobie ekstremalną nieliniowość z wysokim współczynnikiem załamania światła w jednej, zwartej strukturze.
Pionierskie przyszłe technologie optyczne
„Zaproponowany przez nas materiał i konstrukcja są najnowocześniejsze ze względu na niezwykle wysokie nieodłączne nieliniowe właściwości optyczne i godne uwagi liniowe właściwości optyczne – współczynnik załamania światła wynoszący 4,5 w widzialnym zakresie optycznym. Te dwie właściwości sprawiają, że nasze badania są tak nowatorskie i potencjalnie atrakcyjne nawet dla przemysłu”, mówi Georgii Zograf.
„To naprawdę kamień milowy, szczególnie ze względu na wyjątkowo mały rozmiar dysku. Generacja drugiej harmonicznej i inne nieliniowości są stosowane w laserach na co dzień, ale platformy, które je wykorzystują, mają zazwyczaj skalę centymetrową. Dla kontrastu skala naszego obiektu wynosi około 50 nanometrów, a więc jest to struktura około 100 000 razy cieńsza” – mówi kierownik badań, profesor Timur Shegai.
Naukowcy uważają, że praca nanodysku popchnie badania nad fotoniką do przodu. W dłuższej perspektywie niezwykle kompaktowe wymiary materiałów TMD w połączeniu z ich unikalnymi właściwościami mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w zaawansowanych zastosowaniach optycznych i fotonicznych. Struktury te można na przykład zintegrować z różnego rodzaju obwodami optycznymi lub wykorzystać w miniaturyzacji fotoniki.
„Wierzymy, że może to przyczynić się do przyszłych różnego rodzaju eksperymentów z zakresu nieliniowej nanofotoniki, zarówno kwantowej, jak i klasycznej. Mając możliwość nanostrukturyzacji tego unikalnego materiału, moglibyśmy radykalnie zmniejszyć rozmiar i zwiększyć wydajność urządzeń optycznych, takich jak macierze nanodysków i metapowierzchnie. Innowacje te można wykorzystać w zastosowaniach w optyce nieliniowej i generowaniu zjawisk splątanych foton pary. To pierwszy mały krok, ale bardzo ważny. Dopiero zarysowujemy powierzchnię” – mówi Timur Shegai.
Odniesienie: „Łączenie ultrawysokiego współczynnika z wyjątkową nieliniowością w rezonansowych nanodyskach dichalkogenku metalu przejściowego” autorstwa George’a Zografa, Alexandra Yu. Polyakov, Maria Bancerek, Tomasz J. Antosiewicz, Betül Küçüköz i Timur O. Shegai, 13 czerwca 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01444-9
