Isang Bago at Mahusay na Paraan ng Pagkontrol ng Optical Nonlinearity

Ang dalawang boron nitride na kristal na sheet ay pabago-bagong baluktot na may kaugnayan sa bawat isa. Sa ilang mga anggulo, ang insidente ng ilaw ng laser (orange beam) ay maaaring mabisa na mabago sa mas mataas na ilaw ng enerhiya (rosas na sinag) bilang isang resulta ng micromekanical symmetry break. Kredito sa Larawan: Nathan R. Finney at Sanghoon Chae / Columbia Engineering

Ang mga mananaliksik sa Columbia ay bumubuo ng unang diskarte upang samantalahin ang naaayos na simetrya ng mga materyales na 2D para sa mga hindi linya na optikal na aplikasyon, kabilang ang mga system ng laser, optical spectroscopy, imaging at metrology, pati na rin ang susunod na henerasyon na pagpoproseso ng kabuuan ng impormasyon at pag-compute.

Ang mga nonlinear optika, isang pag-aaral na suriin kung paano nakikipag-ugnay ang ilaw sa bagay, ay kritikal para sa maraming mga aplikasyon ng photonic, mula sa mga berdeng laser pointer na pamilyar tayong lahat sa matinding broadband (puti) na mga mapagkukunan ng ilaw para sa mga photum na dami na nagbibigay ng mga optika. computing ng kabuuan, imaging ng sobrang resolusyon, pagtuklas ng salamin at saklaw at marami pa. Salamat sa mga hindi linya na optika, natuklasan ng mga mananaliksik ang mga bagong paraan ng paggamit ng ilaw, mula sa masusing pagtingin sa mga napakabilis na proseso sa pisika, biolohiya at kimika hanggang sa pagpapabuti ng komunikasyon at pag-navigate, pag-aani ng enerhiya sa araw, medikal na pagsusuri, at cybersecurity.

Ang mga mananaliksik sa Columbia Engineering ay iniulat na nakabuo sila ng isang bago at mahusay na paraan upang mabago at mapabuti ang isang mahalagang hindi linya na proseso ng optikal: optikal na pangalawang pagsasaayos ng magkakasama – kung saan ang dalawang input na mga photon ay pinagsama sa materyal upang makabuo ng isang poton na may dalawang beses na enerhiya – pag-ikot ng micromekanikal mula sa hexagonal boron at nitride sa pamamagitan ng multilayer stacking. Ang pag-aaral ay na-publish sa online noong Marso 3, 2021. Mga Pagsulong sa Agham.

Mga Boron Nitride Crystal na Nakaukit Sa Mga Micro Rotating Shapes

Scheme ng eksperimento. Ang mga kristal na boron nitride ay nakaukit sa mga hugis ng micro umiikot at itinulak sa mga tip ng AFM. Sa ganitong paraan, ang simetrya ng interfacial lattice istraktura (zoom attachment) ay dinamiko nababagay, na nagreresulta sa modulated na kahusayan ng conversion ng dalas ng salamin. Kredito sa Larawan: Nathan R. Finney at Sanghoon Chae / Columbia Engineering

“Ang aming trabaho ay ang unang sinamantala ang dynamically adjustable symmetry ng 2D na mga materyales para sa mga hindi linear na aplikasyon ng optika,” sabi ni James Schuck, associate professor ng mechanical engineering, na namuno sa trabaho kasama si James Hone, Propesor ng Mechanical Engineering.

Ang isang mainit na paksa sa larangan ng mga materyales sa 2D ay upang siyasatin kung paano ang baluktot o umiikot na isang layer na may kaugnayan sa isa pa ay maaaring baguhin ang mga elektronikong katangian ng layered system – isang bagay na hindi maaaring gawin sa mga kristal na 3D dahil ang mga atomo ay mahigpit na pinagbuklod sa bawat isa. Isang 3D network. Ang paglutas ng hamon na ito ay humantong sa isang bagong lugar ng pagsasaliksik na tinatawag na “twistronics.” Sa bagong pag-aaral na ito, gumamit ang koponan ng mga konsepto mula sa twistronics upang maipakita na nalalapat din ito sa mga optikal na katangian.

“Tinatawag namin ang bagong lugar ng pananaliksik na ‘twopoptic,” sabi ni Schuck. “Ipinapakita ng aming diskarte sa Twistoptics na makakamit na namin ngayon ang napakalaking mga hindi tumutugon na optikal na tugon sa napakaliit na dami (lamang ng ilang mga layer ng atomic na makapal), halimbawa na nagbibigay-daan sa nakakabit na henerasyon ng photon na may mas compact, chip-compatible na bakas ng paa. Ano pa, ang tugon ay maaaring ganap na maiakma ayon sa kalooban. “

Karamihan sa maginoo ngayon na hindi linya ng mga kristal na salamin sa mata ay ginawa mula sa mga covalently bonded na materyales tulad ng lithium niobate at barium borate. Gayunpaman, dahil mayroon silang mga solidong istrakturang kristal, mahirap idisenyo at makontrol ang kanilang mga hindi linear na katangian ng optikal. Gayunpaman, para sa karamihan ng mga application, ang ilang antas ng kontrol sa mga hindi linear na katangian ng optikal ng isang materyal ay kinakailangan.

Nalaman ng pangkat na ang van der Waals multilayer crystals ay nagbibigay ng isang alternatibong solusyon para sa optical nonlinear engineering. Salamat sa labis na mahina lakas ng interlayer, madaling nabago ng mga mananaliksik ang kamag-anak na oryentasyong kristal sa pagitan ng mga kalapit na layer sa pamamagitan ng pag-ikot ng micromekanical. Gamit ang kakayahang kontrolin ang mahusay na proporsyon sa hangganan ng layer ng atomiko, ipinakita nila ang tumpak na pag-tune at malaking pagpapabuti ng optical pangalawang harmonic na henerasyon na may mga micro spinning device at sobrang istrakturang lattice, ayon sa pagkakabanggit. Para sa mga nangungunang, ang koponan ay gumamit ng pag-ikot ng layer upang lumikha ng “baluktot” na mga interface sa pagitan ng mga layer na may labis na malakas na hindi linya na tumutugon na optikal, at pagkatapos ay nakasalansan ng ilan sa mga “baluktot” na interface na ito sa isa’t isa.

“Ipinakita namin na ang nonlinear optikong signal ay talagang sinukat ng parisukat ng bilang ng mga nakabaluktot na interface,” sabi ni Kaiyuan Yao, isang kapwa mananaliksik na postdoctoral sa lab ni Schuck at co-lead na may-akda ng papel. “Kaya’t ginagawang mas malakas na ang malaki nang hindi linya na tugon ng isang solong row na interface.”

Ang mga natuklasan ng pangkat ay may maraming mga potensyal na aplikasyon. Ang pangalawang pagharmonya ng henerasyon na naaayos mula sa mga micro rotator ay maaaring humantong sa mga bagong converter ng on-chip na nag-uugnay sa paggalaw ng micro-mechanical upang tumpak na mga signal ng optikal sa pamamagitan ng pag-convert ng mekanikal na paggalaw sa ilaw. Ito ay kritikal para sa maraming mga sensor at aparato tulad ng mga atomic force microscope.

Ang pag-stack ng maraming boron nitride na manipis na mga pelikula na may kontroladong anggulo ng pag-ikot ay nagpakita ng lubos na pagpapabuti ng hindi linya na tugon. Maaari itong mag-alok ng isang bagong paraan ng paggawa ng mahusay na hindi linya ng mga kristal na salamin sa mata na may katumpakan na atomiko. Maaari silang magamit sa isang malawak na hanay ng mga laser (tulad ng mga berdeng laser pointer), mga optikal na spectroscopy, imaging at metrology system. At marahil na pinakamahalaga, maaari silang magbigay ng isang compact tool para sa pagbuo ng mga gusot na photon at solong mga photon para sa susunod na henerasyon na optical quantum computing at computing.

Ang gawaing ito ay isang pakikipagtulungan sa mga katuwang na teorya sa Max Planck Institute para sa Structure at Dynamics of Matter sa Energy Frontier Research Center sa Programmable Quantum Materials sa Columbia. Ang pagmamanupaktura ng aparato ay nagawa sa bahagi sa cleanroom ng Columbia Nano Initiative.

“Inaasahan namin,” sabi ni Schuck, “Ang palabas na ito ay nagbibigay ng isang bagong pag-ikot sa nagpapatuloy na salaysay na naglalayong kontrolin at gamitin ang mga katangian ng mga materyales.”

Sanggunian: Kaiyuan Yao1, Nathan R. Finney1, Jin Zhang2, Samuel L. Moore3, Lede Xian2 †, Nicolas Tancogne-Dejean2, Fang Liu4, Jenny Ardelean1 “Ang naaangkop na pangalawang pagsasama-sama ng henerasyon na binuo mula sa baluktot na mga interface sa boron nitride homo-istruktura at patayong super -meshes “, Xinyi Xu1, Dorri Halbertal3, 56334 K. Watanabe, T. Taniguchi, Hector Ochoa, Ana Asenjo-Garcia, Xiaoyang Zhu, DN Basov3, Angel Rubio2,7, Cory R. Dean3, James Hone1 at P. James Schuck , 3 Marso 2021, Mga Pagsulong sa Agham.
DOI: 10.1126 / sciadv.abe8691

  1. Kagawaran ng Mekanikal na Kagawaran, Columbia University
  2. Max Planck Institute para sa Structure at Dynamics ng Matter, Germany
  3. Kagawaran ng Physics ng Columbia University
  4. Kagawaran ng Chemistry, University of Columbia
  5. Functional Materials Research Center, Pambansang Institute of Materials Science, Japan
  6. International Nanoarchitectonic Materials Center, National Institute of Materials Science, Japan
  7. Center para sa Computational Quantum Physics, Simons Foundation Flatiron Institute

Ang pag-aaral ay suportado sa ilalim ng award na DE-SC0019443 bilang bahagi ng Programmable Quantum Materials, isang Energy Frontier Research Center na pinondohan ng US Department of Energy (DOE), Office of Science, Basic Energy Science (BES). Ang suporta sa teorya kabilang ang mga kalkulasyon ng DFT para sa proyektong ito ay sinusuportahan ng European Research Council (ERC-2015-AdG694097), Cluster of Excellence AIM at Max Planck Institute-New York City Center para sa Non-Equilibrium Quantum Phenomena (AR).

Ang Flatiron Institute ay isang dibisyon ng AQ7 ng Simons Foundation. Tumatanggap ang NF ng suporta mula sa programa ng Stewardship Science Graduate Fellowship na ibinigay sa ilalim ng numero ng kasunduan sa kooperasyon na DE-NA0003864. Kinikilala ng KW at TT ang suporta ng Elemental Strategy Initiative na pinapatakbo ng MEXT, Japan (numero ng bigay na JPMXP0112101001), JSPS KAKENHI (bigyan ng numero JP20H00354) at CREST (JPMJCR15F3), JST. Tumatanggap ang JZ ng pondo mula sa European Union’s Horizon 2020 na programa sa pagsasaliksik at pagbabago sa ilalim ng Kasunduan ni Marie Sklodowska-Curie Grant 886291 (PeSD-NeSL).

Ang FL, XYZ at JH ay mga imbentor ng isang aplikasyon ng patent para sa gawaing ito na inihain ng Columbia University (no.62 / 944,753 at 62 / 963,839, na inihain noong Disyembre 6, 2019). Ipinahayag ng mga may-akda na wala silang iba pang mga salungatan ng interes.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.