I ricercatori hanno dimostrato una nuova tecnica completamente ottica per creare solidi effetti non lineari di secondo ordine in materiali che normalmente non li supportano. Utilizzando un impulso laser sparato su una serie di triangoli d'oro su un biossido di titanio (TiO ₂ ) lastra, i ricercatori hanno creato elettroni eccitati che hanno brevemente raddoppiato la frequenza di un raggio da un secondo laser mentre rimbalzava sul TiO amorfo ₂ lastra.

Ampliando la gamma di materiali ottici utili per applicazioni optoelettroniche su micro e nanoscala, il lavoro potrebbe offrire agli ingegneri ottici nuove opzioni per la creazione di effetti non lineari di secondo ordine, che sono importanti in settori come i computer ottici, processori di dati ad alta velocità e bioimmagini sicuri per l'uso nel corpo umano.

"Ora che possiamo rompere otticamente la simmetria cristallina dei materiali tradizionalmente lineari come il biossido di titanio amorfo, una gamma molto più ampia di materiali ottici può essere adottata nel mainstream delle applicazioni di micro e nanotecnologia come processori di dati ottici ad alta velocità, " disse Wenshan Cai, professore alla Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica del Georgia Institute of Technology.

I risultati del proof-of-concept sono stati riportati il ​​2 gennaio sulla rivista Lettere di revisione fisica . La ricerca ha ricevuto il sostegno dell'Office of Naval Research, la Fondazione Nazionale della Scienza, e il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science.

La maggior parte dei materiali ottici tende ad avere una struttura cristallina simmetrica che limita la loro capacità di creare effetti non lineari di secondo ordine come il raddoppio della frequenza che hanno importanti applicazioni tecnologiche. Fino ad ora, questa simmetria poteva essere interrotta solo applicando segnali elettrici o sollecitazioni meccaniche al cristallo.

In laboratorio, Cai e collaboratori Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee e Tianquan Lian hanno creato una serie di minuscoli triangoli d'oro plasmonici sulla superficie di un TiO centrosimmetrico ₂ lastra. Hanno quindi illuminato la struttura TiO2/oro con un impulso di luce laser rossa, che fungeva da interruttore ottico per rompere la simmetria cristallina del materiale. Il TiO . amorfo ₂ la lastra non supporterebbe naturalmente forti effetti non lineari del secondo ordine.

"L'interruttore ottico eccita gli elettroni ad alta energia all'interno dei triangoli dorati, e alcuni degli elettroni migrano al biossido di titanio dalle punte dei triangoli, " Ha spiegato Cai. "Dal momento che la migrazione degli elettroni al TiO ₂ la lastra avviene principalmente sulle punte dei triangoli, la migrazione degli elettroni è spazialmente un processo asimmetrico, rompendo fugacemente la simmetria del cristallo di biossido di titanio in modo ottico."

L'effetto di rottura della simmetria indotta viene osservato quasi istantaneamente dopo l'attivazione dell'impulso laser rosso, raddoppiando la frequenza di un secondo laser che viene poi fatto rimbalzare sul biossido di titanio contenente gli elettroni eccitati. La durata della non linearità del secondo ordine indotta generalmente dipende dalla velocità con cui gli elettroni possono migrare indietro dal biossido di titanio ai triangoli d'oro dopo la scomparsa dell'impulso. Nel caso di studio riportato dai ricercatori, l'effetto non lineare indotto è durato alcuni picosecondi, che secondo i ricercatori è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni in cui vengono utilizzati impulsi brevi. Un laser a onda continua stabile può far durare questo effetto finché il laser è acceso.

"La forza della risposta non lineare indotta dipende fortemente dal numero di elettroni che possono migrare dai triangoli d'oro alla lastra di biossido di titanio, Cai ha aggiunto. “Possiamo controllare il numero di elettroni migrati attraverso l'intensità della luce laser rossa. L'aumento dell'intensità dell'interruttore ottico genera più elettroni all'interno dei triangoli dorati, e quindi invia più elettroni nel TiO ₂ lastra."

Saranno necessarie ulteriori ricerche per costruire sulla prova del concetto, che ha mostrato per la prima volta che la simmetria cristallina dei materiali centrosimmetrici può essere rotta con mezzi ottici, tramite migrazioni elettroniche asimmetriche.

"Per avvicinarsi ai criteri pratici dettagliati sull'essenza della nostra tecnica, dobbiamo ancora sviluppare linee guida che ci dicano quale combinazione di piattaforma di materiale metallo/semiconduttore dovrebbe essere utilizzata, quale forma e dimensione massimizzerebbero la forza dell'effetto non lineare del secondo ordine indotto, e quale intervallo di lunghezza d'onda del laser dovrebbe essere usato per la luce di commutazione, " ha osservato Cai.

Il raddoppio della frequenza è solo una potenziale applicazione per la tecnica, Egli ha detto.

"Riteniamo che i nostri risultati non solo forniscano varietà di opportunità nel campo della nanofotonica non lineare, ma svolgerà anche un ruolo importante nel campo del tunneling elettronico quantistico, " aggiunse Cai. "In effetti, costruito sulla conoscenza accumulata in questo campo, il nostro gruppo sta escogitando nuovi paradigmi per impiegare la tecnica di rottura della simmetria introdotta come sonda ottica per il monitoraggio del tunneling quantistico di elettroni in piattaforme di materiali ibridi. Oggi, raggiungere questo ambizioso obiettivo è possibile solo con le tecniche di microscopia a effetto tunnel (STM), che sono molto lenti e mostrano bassa resa e sensibilità."