Cara baru dan efisien untuk mengontrol nonlinier optik

Dua lempengan kristal boron nitrida secara dinamis berputar satu sama lain. Pada sudut tertentu, sinar laser yang masuk (sinar oranye) dapat secara efisien diubah menjadi cahaya berenergi lebih tinggi (sinar merah muda), sehingga merusak simetri mikromekanis. Kredit: Nathan R. Finney dan Sanghun f / Columbia Engineering

Peneliti Kolombia adalah insinyur teknologi pertama yang memanfaatkan simetri keamanan material 2D untuk aplikasi optik nonlinier, termasuk sistem laser, spektrum optik, pencitraan, dan metrologi, serta pemrosesan dan komputasi data kuantum optik generasi mendatang.

Optik nonlinier, bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi, sangat penting untuk banyak aplikasi fotonik, dari penunjuk laser hijau hingga sumber cahaya broadband (putih) intens yang kita semua tahu untuk fotonik kuantum yang mampu secara optik. Komputasi kuantum, Pencitraan resolusi super, penginderaan optik, dan jangkauan serta banyak lagi. Melalui optik nonlinier, para peneliti menemukan cara baru untuk menggunakan cahaya, mulai dari mengamati proses ultra cepat dalam fisika, biologi dan kimia hingga meningkatkan komunikasi dan navigasi, pengumpulan energi matahari, pengujian medis, dan keamanan siber.

Peneliti teknik Columbia melaporkan bahwa mereka telah mengembangkan metode baru yang efisien untuk memodifikasi dan meningkatkan jenis penting dari proses optik nonlinier: generasi harmonis kedua optik – di mana dua elemen foton masukan dicampur bersama untuk membentuk foton dengan energi ganda – dari boron heksagonal hingga mikromak Nitrida dengan rotasi dan penumpukan multilayer. Studi tersebut dipublikasikan secara online pada 3 Maret 2021 Kemajuan dalam sains.

Kristal boron nitrida telah memasuki bentuk mikro-rotator

Seorang perencana ujian. Kristal boron nitrida dibuat dalam bentuk mikro-rotator dan digerakkan oleh ujung AFM. Dengan demikian, simetri dari struktur mesh antarmuka (zoom-in inset) disetel secara dinamis, menghasilkan efisiensi konversi frekuensi optik yang efisien. Kredit: Nathan R. Finney dan Sanghun f / Columbia Engineering

James Shock, Associate Professor of Mechanical Engineering dan Professor of Wang Fong-Zen, Department of Mechanical Engineering, yang memimpin penelitian tersebut, mengatakan:

Topik hangat di bidang materi 2D adalah mengeksplorasi bagaimana membengkokkan atau memutar satu lapisan relatif terhadap yang lain dapat mengubah sifat listrik sistem berlapis – sesuatu yang tidak dapat dilakukan dalam kristal 3D karena atom terikat begitu erat. Jaringan. Menyelesaikan tantangan ini telah menciptakan bidang penelitian baru yang disebut “Twistronics”. Dalam studi baru ini, tim menggunakan konsep Twittertronics untuk menunjukkan bahwa mereka juga berlaku untuk properti optik.

“Kami menyebut area penelitian baru ini ‘twistoptics’,” kata Shock. ‚ÄúPendekatan twistoptics kami menunjukkan bahwa kami sekarang dapat mencapai respons optik nonlinier raksasa dalam jumlah yang sangat kecil – misalnya, memungkinkan pembuatan foton yang terlibat dalam banyak footprint yang lebih ringkas dan kompatibel dengan chip. Selain itu, umpan baliknya benar-benar sesuai dengan permintaan.

Sebagian besar kristal optik nonlinier konvensional saat ini terbuat dari bahan pengikat kooperatif seperti litium niobat dan barium borat. Namun, mereka memiliki struktur kristal yang kaku, sehingga sifat optik nonliniernya sulit untuk direkayasa dan dikendalikan. Meskipun untuk sebagian besar aplikasi, harus ada kontrol atas sifat optik nonlinier suatu material.

Kelompok tersebut menemukan bahwa kristal multilayer van der Wales memberikan solusi alternatif untuk rekayasa nonlinier optik. Berkat gaya interlayer yang sangat lemah, peneliti dapat dengan mudah mengatur orientasi kristal relatif antara lapisan yang berdekatan dengan rotasi mikromekanis. Dengan kemampuan mereka untuk mengontrol simetri pada batas tingkat atom, mereka mendemonstrasikan penyetelan presisi dan peningkatan besar dari generasi harmonik kedua optik, masing-masing termasuk perangkat pembusuk mikro dan struktur superlatif. Untuk superlatics, tim pertama-tama menciptakan antarmuka “melengkung” antar lapisan menggunakan rotasi lapisan yang memberikan umpan balik optik nonlinier yang sangat kuat dan kemudian melengkapi antarmuka “melengkung” ini di atas satu sama lain.

“Kami telah menunjukkan bahwa sinyal optik nonlinier sebenarnya berskala dengan kuadrat dari jumlah antarmuka yang dipelintir,” kata Kaiyuan Yao, peneliti pascadoktoral di Shock Lab dan salah satu penulis utama makalah tersebut. “Jadi itu memperkuat respons nonlinier yang sudah lebih besar ke urutan antarmuka tunggal dimensi.”

Ada beberapa aplikasi potensial untuk pencarian grup. Generasi kedua yang harmonis dari mikro-rotor dapat mengarahkan transduser pada chip menjadi novel yang mengubah gerakan mekanis menjadi cahaya dan mengubah gerakan mikromekanis menjadi sinyal optik sensitif. Ini penting untuk banyak sensor dan perangkat seperti mikroskop tenaga nuklir.

Menumpuk beberapa film tipis boron nitrida di atas satu sama lain dengan sudut putar terkontrol sebagian besar menimbulkan respons linier yang diperpanjang. Ini dapat menawarkan cara baru untuk menghasilkan kristal optik nonlinier yang efisien dengan presisi nuklir. Mereka dapat digunakan dalam berbagai macam laser (seperti laser pointer hijau), spektrum optik, sistem pencitraan dan metrologi. Dan mungkin yang paling menonjol, mereka dapat memberikan cara yang kompak untuk membuat foton dan foton tunggal yang terlibat dalam pemrosesan dan komputasi informasi kuantum optik generasi berikutnya.

Pekerjaan tersebut merupakan kolaborasi dengan kolaborator di Pusat Penelitian Perbatasan Energi pada Bahan Kuantum yang Dapat Diprogram di Kolombia dan kolaborator dalam teori struktur dan dinamika di Institut Max Planck. Perangkat tersebut dibuat sebagian di ruang bersih Columbia Nano Initiative.

“Kami berharap,” kata Schuck, “bahwa demonstrasi ini memberikan putaran baru yang bertujuan untuk meningkatkan dan mengendalikan sifat materi dalam narasi yang sedang berlangsung.”

Referensi: “Twilight Interface di Byron Nitride Homeostructures dan Enhanced Tune Generasi ke-2 dari Vertical Superlatics”, Genei Xu1, Dory Halbertal 3, 56334K. Watanabe, t. Taniguchi, Hector Ochoa, Anna Essenzo-Garcia, Jiawang Zhu, DN Basov 3, Angel Rubio 2, 7, Corey R. Dean 3, James Hoon 1 dan P. James Schuck, 3 Maret 2021, Kemajuan dalam sains.
DOI: 10.1126 / sciadv.abe8691

  1. Jurusan Teknik Mesin, Universitas Columbia
  2. Struktur dan Dinamika Institut Max Planck untuk Materi di Jerman
  3. Departemen Fisika Universitas Columbia
  4. Departemen Kimia Universitas Columbia
  5. Pusat Penelitian Bahan Fungsional, Institut Fisika Nasional di Jepang
  6. Pusat Nanoarsitektur untuk Bahan Internasional, Institut Fisika Nasional di Jepang
  7. Pusat Fisika Kuantum Komputasi, Simons Foundation Flatron Institute

Studi ini awalnya didukung sebagai bagian dari Programmable Quantum Materials, pusat penelitian perbatasan energi yang didanai oleh Departemen Energi AS (DOE), Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar (BES), di bawah DE-SC 2009443. Teori yang terlibat dalam penghitungan DFT untuk proyek ini didukung oleh European Research Council (ERC-2015-AdG694097), Cluster of Excellence AIM, dan Max Planck Institute-New York City Center for Non-Equilibrium Quantum Phenomenon (AR) .

The Flatiron Institute adalah divisi AQ7 dari Simons Foundation. Koperasi NF mengakui dukungan untuk program beasiswa pascasarjana ilmu kepengurusan yang ditawarkan dengan nomor kontrak DE-NAA 383864. KW dan TT MQUET, Jepang (nomor hibah JPMXP 0112101001), JSPS Kakeni (nomor hibah JPM 20H100354), dan CRST (JPMJCR1515F3), mendukung inisiatif Strategi Elemen yang dipimpin oleh JST. JZ Mary mengakui pendanaan dari program penelitian dan inovasi European Union Horizon 2020 di bawah Skladovskaya-Curie Grant Agreement 886291 (PSD-NSL).

Para penulis permohonan paten terkait dengan pekerjaan ini terkait dengan FL, XYZ dan JH Columbia University (No. 62 / 944.753 dan 62 / 963.839, diajukan pada 6 Desember 2019) adalah penulis yang menyatakan bahwa mereka tidak memiliki kepentingan bersaing.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.