Deux plaques de cristaux de nitrure de bore sont torsadées dynamiquement l'une par rapport à l'autre. Sous certains angles, la lumière laser entrante (faisceau orange) peut être efficacement convertie en lumière à plus haute énergie (faisceau rose), suite à une rupture de symétrie micromécanique. Crédit :Nathan R.Finney et Sanghoon Chae/Columbia Engineering
Optique non linéaire, une étude de la façon dont la lumière interagit avec la matière, est essentiel à de nombreuses applications photoniques, des pointeurs laser verts que nous connaissons tous aux sources lumineuses à large bande (blanches) intenses pour la photonique quantique qui permettent l'informatique quantique optique, imagerie super-résolution, détection optique et télémétrie, et plus. Grâce à l'optique non linéaire, les chercheurs découvrent de nouvelles façons d'utiliser la lumière, en s'intéressant de plus près aux processus ultrarapides en physique, la biologie, et la chimie pour améliorer la communication et la navigation, récupération d'énergie solaire, tests médicaux, et la cybersécurité.
Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu'ils ont développé un nouveau moyen efficace de moduler et d'améliorer un type important de processus optique non linéaire :la génération optique de deuxième harmonique - où deux photons d'entrée sont combinés dans le matériau pour produire un photon avec deux fois plus d'énergie - du nitrure de bore hexagonal à la rotation micromécanique et à l'empilement multicouche. L'étude a été publiée en ligne le 3 mars par Avancées scientifiques .
"Notre travail est le premier à exploiter la symétrie accordable dynamiquement des matériaux 2D pour des applications optiques non linéaires, " a déclaré James Schuck, professeur agrégé de génie mécanique, qui a dirigé l'étude avec James Hone , Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique.
Un sujet brûlant dans le domaine des matériaux 2D a exploré comment la torsion ou la rotation d'une couche par rapport à une autre peut modifier les propriétés électroniques du système en couches, ce qui ne peut pas être fait dans les cristaux 3D car les atomes sont liés. si étroitement ensemble dans un réseau 3-D. La résolution de ce défi a conduit à un nouveau domaine de recherche appelé "twistronics". Dans cette nouvelle étude, l'équipe a utilisé des concepts de twistronics pour montrer qu'ils s'appliquent également aux propriétés optiques.
"Nous appelons ce nouveau domaine de recherche 'twistoptics, "", a déclaré Schuck. "Notre approche twistoptics démontre que nous pouvons maintenant obtenir des réponses optiques non linéaires géantes dans de très petits volumes - juste quelques épaisseurs de couche atomique - permettant, par exemple, génération de photons intriqués avec un format beaucoup plus compact, empreinte de pied compatible avec les puces. De plus, la réponse est entièrement ajustable à la demande."
Un schéma de l'expérience. Les cristaux de nitrure de bore sont gravés dans des formes de micro-rotateurs et poussés par des pointes AFM. De cette façon, la symétrie de la structure du réseau interfacial (l'encart de zoom) est réglée dynamiquement, résultant en une efficacité modulée de la conversion de fréquence optique. Crédit :Nathan R.Finney et Sanghoon Chae/Columbia Engineering
La plupart des cristaux optiques non linéaires conventionnels d'aujourd'hui sont constitués de matériaux liés par covalence, tels que le niobate de lithium et le borate de baryum. Mais parce qu'ils ont des structures cristallines rigides, il est difficile de concevoir et de contrôler leurs propriétés optiques non linéaires. Pour la plupart des applications, bien que, un certain degré de contrôle sur les propriétés optiques non linéaires d'un matériau est essentiel.
Le groupe a découvert que les cristaux multicouches de van der Waals offrent une solution alternative pour l'ingénierie de la non-linéarité optique. Grâce à la force intercalaire extrêmement faible, les chercheurs pouvaient facilement manipuler l'orientation cristalline relative entre les couches voisines par rotation micromécanique. Avec la possibilité de contrôler la symétrie à la limite de la couche atomique, ils ont démontré un réglage précis et une amélioration géante de la génération optique de deuxième harmonique avec des dispositifs à micro-rotateurs et des structures de super-réseau, respectivement. Pour les super-réseaux, l'équipe a d'abord utilisé la rotation des couches pour créer des interfaces « torsadées » entre les couches qui produisent une réponse optique non linéaire extrêmement forte, puis empilé plusieurs de ces interfaces "torsadées" les unes sur les autres.
"Nous avons montré que le signal optique non linéaire évolue en fait avec le carré du nombre d'interfaces torsadées, " dit Kaiyuan Yao, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Schuck et co-auteur principal de l'article. "Cela renforce donc la réponse non linéaire déjà importante d'une seule interface de plusieurs ordres de grandeur."
Les découvertes du groupe ont plusieurs applications potentielles. La génération de seconde harmonique accordable à partir de micro-rotateurs pourrait conduire à de nouveaux transducteurs sur puce qui couplent le mouvement micromécanique à des signaux optiques sensibles en transformant le mouvement mécanique en lumière. Ceci est essentiel pour de nombreux capteurs et dispositifs tels que les microscopes à force atomique.
L'empilement de plusieurs films minces de nitrure de bore les uns sur les autres avec un angle de torsion contrôlé a démontré une réponse non linéaire considérablement améliorée. Cela pourrait offrir une nouvelle façon de fabriquer des cristaux optiques non linéaires efficaces avec une précision atomique. Ceux-ci pourraient être utilisés dans une large gamme de lasers (tels que les pointeurs laser verts), spectroscopie optique, imagerie, et les systèmes de métrologie. Et peut-être le plus important, ils pourraient fournir un moyen compact de générer des photons intriqués et des photons uniques pour le traitement et le calcul de l'information quantique optique de nouvelle génération.
Ce travail était une collaboration réalisée à l'Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials à Columbia, avec des collaborateurs théoriques de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière. La fabrication du dispositif a été en partie réalisée dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative.
"Nous esperons, " Schuck a dit, "que cette démonstration fournit une nouvelle tournure dans le récit en cours visant à exploiter et à contrôler les propriétés des matériaux."
