Schema per il gate tuning del potenziale chimico:nello studio è stato adottato il metodo ion-gel gating utilizzando la struttura del transistor ad effetto di campo con grafene (reticolo esagonale 2D) supportato da silice fusa. La struttura del dispositivo ha misurato le risposte ottiche lineari e non lineari del grafene a temperatura ambiente e ha monitorato il potenziale chimico (Ef) rispetto alla tensione di gate (Vg) in situ. Credito: Fotonica della natura , doi:10.1038/s41566-018-0175-7
Il focus della ricerca sui materiali 2-D si è intensificato con il suo potenziale per modulare la luce per prestazioni superiori e realizzare applicazioni che possono migliorare le tecnologie esistenti. Grafene, il materiale 2-D più noto, derivato dalla grafite 3-D, costituisce un monostrato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale 2-D, esibendo forti interazioni materia leggera a banda ultra larga, in grado di operare in una gamma spettrale estremamente ampia, adatto per dispositivi fotonici e optoelettronici di nuova generazione. Le proprietà elettroniche uniche del grafene provengono dai coni di Dirac, caratteristiche nelle strutture a bande elettroniche che ospitano portatori di carica di massa effettiva nulla, cosiddetti fermioni di Dirac senza massa che si verificano nei materiali 2-D. Gli scienziati dei materiali sono attualmente in una fase dell'infanzia sperimentale per realizzare molte proprietà interessanti delle risposte ottiche non lineari del grafene, per aiutare la sua promessa di interrompere la tecnologia esistente e facilitare applicazioni ad ampio raggio.
La nascita dell'ottica non lineare è attribuita a un esperimento condotto nel 1961 da Peter Franken e collaboratori con un laser a rubino pulsato, in cui hanno osservato l'effetto non lineare della generazione di seconda armonica (SHG, raddoppio di frequenza) per la prima volta. Il controllo dinamico delle non linearità ottiche rimane attualmente limitato ai laboratori di ricerca come strumento spettroscopico.
Ora scrivendo Fotonica della natura , Tao Jiang et al. riportano che la generazione di terza armonica non lineare (THG, triplicazione della frequenza) può essere ampiamente sintonizzato nel grafene utilizzando una tensione di gate elettrico. Questo ha molte potenziali applicazioni:gate-tunable, meccanismi ottici non lineari di grafene e altri materiali simili al grafene 2-D sono desiderabili per progettare future applicazioni fotoniche e optoelettroniche su chip con velocità estremamente elevata e compatibilità con semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) per la fabbricazione di dispositivi. La generazione di seconda armonica elettricamente sintonizzabile è stata precedentemente riportata in altri materiali 2-D, come il diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ) con eccitoni, sebbene la larghezza di banda spettrale fosse limitata. Sperimentalmente, sintonizzare le frequenze di ingresso o il potenziale chimico (E F ) del grafene può fornire informazioni dettagliate sulla risposta ottica non lineare del terzo ordine, finora suggerito in teoria.
I processi non lineari del terzo ordine sono anche noti come miscelazione a quattro onde, mentre mescolano tre campi per produrre un quarto. Gli ultimi risultati di Jiang et al. derivano dalla capacità di regolare il potenziale chimico (E F ) di grafene e attiva o disattiva elettricamente transizioni risonanti a singolo fotone e multifotone con gating ione-gel (noto anche come drogaggio controllato da gate), per un dato insieme di frequenze di ingresso. I risultati sperimentali si sono adattati bene ai calcoli teorici per fornire una base solida per comprendere i processi ottici non lineari di terzo ordine in grafene e materiali Dirac simili al grafene.
La larghezza di banda operativa del gate sintonizzabile THG variava da ~ 1300 nm a 1650 nm, coprendo la gamma spettrale più comune per le telecomunicazioni in fibra ottica a 1550 nm. Una larghezza di banda operativa così ampia è il risultato della distribuzione dell'energia dei fermioni di Dirac del grafene. L'osservazione è simile a un'indagine parallela pubblicata in Nanotecnologia della natura per controllare elettricamente l'efficienza THG (THGE) del grafene, allo stesso modo attribuito a fermioni di Dirac senza massa. Globale, le non linearità ottiche del grafene osservabili sperimentalmente con gate sintonizzabile a banda larga offrono un nuovo approccio per costruire in pratica dispositivi ottici non lineari elettricamente sintonizzabili.
Rappresentazione schematica degli effetti multifotoni nei fermioni di Dirac del grafene:l'aumento del potenziale chimico |Ef| può spegnere con successo un fotone (|Ef|> 1/2ħω0), due fotoni (|Ef|> ħω0), e transizioni interbanda a tre fotoni (|Ef |> 3/2ħω0) per blocco di Pauli. Le transizioni interbanda a due fotoni contribuiscono positivamente alla suscettibilità ottica non lineare di terzo ordine [χ(3)], mentre le transizioni interbanda a uno e tre fotoni contribuiscono negativamente. Le frecce rosse indicano i fotoni di ingresso alla frequenza ω0 e le frecce blu indicano i fotoni di terza armonica generati alla frequenza 3ω0. h, costante di Planck ridotta. Credito: Fotonica della natura , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
Interconnessioni elettroniche esistenti (cavi in rame), ad esempio, subire una perdita di larghezza di banda a causa di limitazioni delle prestazioni, impedendo l'elaborazione accelerata delle informazioni necessaria per lo streaming multimediale, cloud computing e Internet delle cose (IoT). Esiste una crescente esigenza di regolare la luce e di svilupparsi compatti, conveniente, interconnessioni ottiche ad alte prestazioni per una maggiore larghezza di banda e minori perdite.
È probabile che i futuri sforzi di ricerca migliorino gli effetti osservati utilizzando una varietà di approcci, tra cui l'integrazione di guide d'onda/fibre e risonatori ottici. Inoltre, vari polaritoni e metamateriali fotonici possono fornire un miglioramento localizzato e la manipolazione delle non linearità ottiche in materiali 2-D per creare plasmoni di superficie e affrontare le sfide previste della nanofotonica non lineare e dello sviluppo di dispositivi nanofisici, con soluzioni ottiche avanzate.
Metodi per migliorare e manipolare le risposte ottiche non lineari in materiali 2D:a) cavità del cristallo fotonico, b) risonatore a microdisco, c) risonatore microring elettricamente sintonizzabile, d) struttura plasmonica. Frecce rosse =fotoni in ingresso, frecce blu e verdi =fotoni generati a frequenze diverse. Credito: Fotonica della natura , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
La conoscenza può essere estesa ad altri processi ottici non lineari nel grafene, compresa la generazione di armoniche di alto ordine. La tecnologia esistente con i tradizionali cristalli sfusi ha raggiunto un limite tecnico per realizzare le applicazioni optoelettroniche previste, a causa della loro suscettibilità ottica non lineare relativamente piccola e del complesso e costoso, metodi di fabbricazione e integrazione. Il dimostrato miglioramento dell'interazione ottica non lineare nei materiali 2-D dovrebbe idealmente essere sviluppato insieme alla produzione di materiali 2-D su larga scala e di alta qualità, per consentire approcci completamente diversi per la costruzione di nanodispositivi elettricamente sintonizzabili. Tali nanodispositivi possono facilitare i progressi proposti in metrologia, rilevamento, immagini, tecnologia quantistica e telecomunicazioni.
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