Ottica non lineare, uno studio di come la luce interagisce con la materia, è fondamentale per molte applicazioni fotoniche, dai puntatori laser verdi con cui tutti abbiamo familiarità alle intense sorgenti di luce a banda larga (bianca) per la fotonica quantistica che consentono il calcolo quantistico ottico, immagini ad alta risoluzione, rilevamento ottico e gamma, e altro ancora. Attraverso l'ottica non lineare, i ricercatori stanno scoprendo nuovi modi di usare la luce, dall'approfondire i processi ultraveloci in fisica, biologia, e chimica per migliorare la comunicazione e la navigazione, raccolta di energia solare, test medici, e sicurezza informatica.

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver sviluppato un nuovo, modo efficiente per modulare e migliorare un importante tipo di processo ottico non lineare:la generazione ottica della seconda armonica, in cui due fotoni in ingresso vengono combinati nel materiale per produrre un fotone con il doppio dell'energia, dal nitruro di boro esagonale attraverso la rotazione micromeccanica e l'impilamento multistrato. Lo studio è stato pubblicato online il 3 marzo da Progressi scientifici .

"Il nostro lavoro è il primo a sfruttare la simmetria sintonizzabile dinamicamente dei materiali 2-D per applicazioni ottiche non lineari, " ha detto James Schuck , professore associato di ingegneria meccanica, che ha condotto lo studio insieme a James Hone, Wang Fong-Jen Professore di ingegneria meccanica.

Un argomento caldo nel campo dei materiali 2-D è stato esplorare come la torsione o la rotazione di uno strato rispetto a un altro può cambiare le proprietà elettroniche del sistema a strati, qualcosa che non può essere fatto nei cristalli 3-D perché gli atomi sono legati così strettamente insieme in una rete 3D. Risolvere questa sfida ha portato a una nuova area di ricerca chiamata "twistronics". In questo nuovo studio, il team ha utilizzato concetti di twistronics per dimostrare che si applicano anche alle proprietà ottiche.

"Chiamiamo questa nuova area di ricerca "twistoptics, "" ha affermato Schuck. "Il nostro approccio twistoptics dimostra che ora possiamo ottenere risposte ottiche non lineari giganti in volumi molto piccoli, solo pochi spessori di strato atomico, consentendo, Per esempio, generazione di fotoni entangled con un molto più compatto, impronta compatibile con chip. Inoltre, la risposta è completamente sintonizzabile su richiesta."

La maggior parte dei cristalli ottici non lineari convenzionali di oggi sono realizzati con materiali legati in modo covalente, come il niobato di litio e il borato di bario. Ma poiché hanno strutture cristalline rigide, è difficile progettare e controllare le loro proprietà ottiche non lineari. Per la maggior parte delle applicazioni, anche se, un certo grado di controllo sulle proprietà ottiche non lineari di un materiale è essenziale.

Il gruppo ha scoperto che i cristalli multistrato di van der Waals forniscono una soluzione alternativa per l'ingegneria della non linearità ottica. Grazie alla forza intercalare estremamente debole, i ricercatori potrebbero facilmente manipolare l'orientamento relativo dei cristalli tra strati vicini mediante rotazione micromeccanica. Con la capacità di controllare la simmetria al limite dello strato atomico, hanno dimostrato un'accordatura precisa e un gigantesco miglioramento della generazione ottica della seconda armonica con dispositivi micro-rotatori e strutture a superreticolo, rispettivamente. Per i superlattici, il team ha utilizzato per la prima volta la rotazione dei livelli per creare interfacce "contorte" tra i livelli che producono una risposta ottica non lineare estremamente forte, e poi impilate molte di queste interfacce "contorte" una sopra l'altra.

"Abbiamo dimostrato che il segnale ottico non lineare scala effettivamente con il quadrato del numero di interfacce intrecciate, " disse Kaiyuan Yao, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Schuck e co-autore dell'articolo. "Quindi questo rende ancora più forte la risposta non lineare già ampia di una singola interfaccia di ordini di grandezza".

I risultati del gruppo hanno diverse potenziali applicazioni. La generazione sintonizzabile della seconda armonica dai micro-rotatori potrebbe portare a nuovi trasduttori su chip che accoppiano il movimento micromeccanico a segnali ottici sensibili trasformando il movimento meccanico in luce. Questo è fondamentale per molti sensori e dispositivi come i microscopi a forza atomica.

L'impilamento di più film sottili di nitruro di boro uno sopra l'altro con angolo di torsione controllato ha dimostrato una risposta non lineare notevolmente migliorata. Questo potrebbe offrire un nuovo modo per produrre cristalli ottici non lineari efficienti con precisione atomica. Questi potrebbero essere utilizzati in una vasta gamma di laser (come i puntatori laser verdi), spettroscopia ottica, immagini, e sistemi metrologici. E forse più significativamente, potrebbero fornire un mezzo compatto per generare fotoni entangled e singoli fotoni per l'elaborazione e il calcolo delle informazioni quantistiche ottiche di prossima generazione.

Questo lavoro è stato una collaborazione svolta presso l'Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials presso la Columbia, con collaboratori teorici al Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. La fabbricazione del dispositivo è stata parzialmente eseguita nella camera bianca della Columbia Nano Initiative.

"Speriamo, "Schuck ha detto, "che questa dimostrazione fornisce una nuova svolta nella narrativa in corso mirata a sfruttare e controllare le proprietà dei materiali".