Les chercheurs ont démontré une nouvelle technique tout optique pour créer des effets non linéaires de second ordre robustes dans des matériaux qui ne les supportent pas normalement. À l'aide d'une impulsion laser tirée sur un réseau de triangles d'or sur un dioxyde de titane (TiO 2 ) dalle, les chercheurs ont créé des électrons excités qui ont brièvement doublé la fréquence d'un faisceau d'un deuxième laser lorsqu'il a rebondi sur le TiO amorphe 2 dalle.

En élargissant la gamme de matériaux optiques utiles pour les applications optoélectroniques à l'échelle micro et nanométrique, le travail pourrait donner aux ingénieurs optiques de nouvelles options pour créer des effets non linéaires de second ordre, qui sont importants dans des domaines tels que les ordinateurs optiques, processeurs de données à haute vitesse et bio-imagerie sans danger pour une utilisation dans le corps humain.

« Maintenant que nous pouvons briser optiquement la symétrie cristalline de matériaux traditionnellement linéaires tels que le dioxyde de titane amorphe, une gamme beaucoup plus large de matériaux optiques peut être adoptée dans le courant dominant des applications micro et nanotechnologiques telles que les processeurs de données optiques à grande vitesse, " dit Wenshan Cai, professeur à la School of Electrical and Computer Engineering du Georgia Institute of Technology.

Les résultats de la preuve de concept ont été publiés le 2 janvier dans le journal Lettres d'examen physique . La recherche a reçu le soutien de l'Office of Naval Research, la Fondation nationale des sciences, et l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis.

La majorité des matériaux optiques ont tendance à avoir une structure cristalline symétrique qui limite leur capacité à créer des effets non linéaires de second ordre tels que le doublement de fréquence qui ont d'importantes applications technologiques. Jusqu'à maintenant, cette symétrie ne pouvait être interrompue qu'en appliquant des signaux électriques ou une contrainte mécanique au cristal.

Dans le laboratoire, Cai et collaborateurs Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee et Tianquan Lian ont créé un réseau de minuscules triangles d'or plasmoniques à la surface d'un TiO centrosymétrique 2 dalle. Ils ont ensuite illuminé la structure TiO2/or avec une impulsion de lumière laser rouge, qui a agi comme un interrupteur optique pour briser la symétrie cristalline du matériau. Le TiO amorphe 2 la dalle ne supporterait pas naturellement de forts effets non linéaires de second ordre.

"Le commutateur optique excite des électrons de haute énergie à l'intérieur des triangles d'or, et certains des électrons migrent vers le dioxyde de titane depuis les pointes des triangles, " expliqua Cai. " Depuis la migration des électrons vers le TiO 2 la dalle se produit principalement aux extrémités des triangles, la migration des électrons est spatialement un processus asymétrique, casser fugitivement la symétrie du cristal de dioxyde de titane d'une manière optique."

L'effet de rupture de symétrie induit est observé presque instantanément après le déclenchement de l'impulsion laser rouge, doubler la fréquence d'un deuxième laser qui rebondit ensuite sur le dioxyde de titane contenant les électrons excités. La durée de vie de la non-linéarité de second ordre induite dépend généralement de la vitesse à laquelle les électrons peuvent migrer du dioxyde de titane vers les triangles d'or après la disparition de l'impulsion. Dans l'étude de cas rapportée par les chercheurs, l'effet non linéaire induit a duré quelques picosecondes, ce qui, selon les chercheurs, est suffisant pour la plupart des applications où des impulsions courtes sont utilisées. Un laser à onde continue stable peut faire durer cet effet aussi longtemps que le laser est allumé.

"La force de la réponse non linéaire induite dépend fortement du nombre d'électrons qui peuvent migrer des triangles d'or vers la dalle de dioxyde de titane, " Cai ajouté. "Nous pouvons contrôler le nombre d'électrons migrés grâce à l'intensité de la lumière laser rouge. L'augmentation de l'intensité du commutateur optique génère plus d'électrons à l'intérieur des triangles d'or, et envoie donc plus d'électrons dans le TiO 2 dalle."

Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour s'appuyer sur la preuve de concept, qui a montré pour la première fois que la symétrie cristalline des matériaux centrosymétriques peut être brisée par des moyens optiques, via des migrations asymétriques d'électrons.

"Aborder les critères pratiques détaillés sur l'essence de notre technique, nous devons encore développer des lignes directrices qui nous indiquent quelle combinaison de plate-forme de matériau métal/semi-conducteur doit être utilisée, quelle forme et quelle dimension maximiseraient la force de l'effet non linéaire de second ordre induit, et quelle gamme de longueur d'onde laser doit être utilisée pour la lumière de commutation, " Cai a noté.

Le doublement de fréquence n'est qu'une application potentielle de la technique, il a dit.

"Nous pensons que nos découvertes offrent non seulement diverses opportunités dans le domaine de la nanophotonique non linéaire, mais jouera également un rôle majeur dans le domaine de l'effet tunnel quantique d'électrons, " ajouta Cai. " En effet, construit sur les connaissances accumulées dans ce domaine, notre groupe élabore de nouveaux paradigmes pour utiliser la technique de rupture de symétrie introduite comme sonde optique pour surveiller l'effet tunnel quantique des électrons dans les plates-formes de matériaux hybrides. De nos jours, atteindre cet objectif ambitieux n'est possible qu'avec les techniques de microscopie à effet tunnel (STM), qui sont très lents et présentent un faible rendement et une faible sensibilité."