Fotonista twistausta ja vyörytystä

Columbia Engineering -tutkija ovat kehittäneet uuden, tehokkaan tavan muokata ja parantaa erästä epälineaarisen optisen prosessin tyyppiä: optinen toisen harmonisen generointi, jossa kaksi tulofotonia yhdistetään materiaalissa tuottamaan yksi fotoni kaksinkertaisella energialla.

"Työmme on ensimmäinen, joka hyödyntää 2D-materiaalien dynaamisesti viritettävää symmetriaa epälineaarisissa optisissa sovelluksissa", kertoo apulaisprofessori James Schuck, joka johti tutkimusta yhdessä professori James Honen kanssa.

Tutkimus osoitti, että elektronien twistroniikan käsitteet koskevat myös optisia ominaisuuksia.

"Kutsumme tätä uutta tutkimusaluetta "twistoptiikaksi", Schuck kertoo. "Twistoptiikan lähestymistapa osoittaa, että voimme nyt saavuttaa jättimäisiä epälineaarisia optisia vasteita hyvin pienissä tilavuuksissa - vain muutaman atomikerroksen paksuudella - mikä mahdollistaa esimerkiksi lomittuneen fotonin muodostumisen paljon kompaktimmalla, siruyhteensopivalla jalanjäljellä. Lisäksi vaste on täysin viritettävissä tarpeen mukaan."

Ryhmä havaitsi, että van der Waalsin monikerroksiset kiteet tarjoavat vaihtoehtoisen ratkaisun optisen epälineaarisuuden suunnittelulle. Kyvyllä hallita symmetriaa atomikerroksen rajalla he osoittivat optisen toisen harmonisen generoinnin tarkan virityksen ja jättimäisen parannuksen mikropyörittäjälaitteilla ja superhila-rakenteilla.

Useiden boorinitridikalvojen pinoaminen päällekkäin hallitulla kiertokulmalla osoitti huomattavasti parannettua epälineaarista vastetta. Tämä voisi tarjota uuden tavan valmistaa tehokkaita epälineaarisia optisia kiteitä atomien tarkkuudella.

"Toivomme", Schuck visioi, "että tämä demo tarjoaa uuden käänteen meneillään olevaan kertomukseen, jonka tarkoituksena on hyödyntää ja hallita materiaalien ominaisuuksia."

Hieman aiemmin Columbia Engineeringin tutkijat kertoivat kehittäneensä ensimmäisen nanomateriaalin, joka osoittaa fotonien lumivyöryä (avalanching), joka on vertaansa vailla äärimmäisen epälineaarisen optisen käyttäytymisen ja tehokkuuden yhdistelmänä.

Lumivyöry nanohiukkasmuodossa avaa joukon haluttuja sovelluksia reaaliaikaisesta superresoluutioisesta optisesta mikroskopiasta, tarkasta lämpötila- ja ympäristötunnistuksesta ja infrapunavalon havaitsemisesta optiseen analogia-digitaalimuunnokseen ja kvanttitunnistukseen.

”Kukaan ei ole nähnyt tällaista avalanching käytöstä nanomateriaaleissa aiemmin”, hehkuttaa tätäkin tutkimusta vetänyt James Schuck. Tutkijoille on erityisen huomionarvoista, että vain yhden fotonin absorptio johtaa paitsi suureen määrään emittoituneita fotoneja myös yllättävään ominaisuuteen: emittoidut fotonit "muuttuvat ylöspäin", kukin energialtaan korkeampi kuin yksittäinen absorboitu fotoni.

Tutkijat voivat käyttää aallonpituuksia optisen spektrin infrapuna-alueella luoda suuria määriä korkeamman energian fotoneja, jotka ovat paljon parempia indusoimaan halutut kemialliset muutokset - kuten tappamaan syöpäsolut - kohdennettuihin kohtiin syvälle kudokseen, mihin tahansa lumivyöryn nanohiukkaset kohdistetaan.

Aiheesta aiemmin:

Eväitä twistroniikalle

Valon vyörytystä