Schéma pour le réglage de la porte du potentiel chimique :la méthode de déclenchement ion-gel a été adoptée dans l'étude utilisant la structure de transistor à effet de champ avec du graphène (réseau hexagonal 2D) soutenu par de la silice fondue. La structure du dispositif a mesuré les réponses optiques linéaires et non linéaires du graphène à température ambiante et a surveillé le potentiel chimique (Ef) par rapport à la tension de grille (Vg) in situ. Crédit: Photonique de la nature , doi:10.1038/s41566-018-0175-7
La recherche sur les matériaux 2D s'est intensifiée avec son potentiel de moduler la lumière pour des performances supérieures et de réaliser des applications qui peuvent améliorer les technologies existantes. Graphène, le matériau 2D le plus connu, dérivé du graphite 3-D, constitue une monocouche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal 2-D, présentant de fortes interactions lumière-matière ultra large bande, capable de fonctionner dans une gamme spectrale extrêmement large, adapté aux dispositifs photoniques et optoélectroniques de nouvelle génération. Les propriétés électroniques uniques du graphène proviennent des cônes de Dirac, caractéristiques des structures de bandes électroniques qui hébergent des porteurs de charge de masse effective nulle, les fermions de Dirac dits sans masse qui se produisent dans les matériaux 2D. Les scientifiques des matériaux sont actuellement à un stade expérimental pour réaliser de nombreuses propriétés intéressantes des réponses optiques non linéaires du graphène, pour aider sa promesse de perturber la technologie existante et de faciliter des applications de grande envergure.
La naissance de l'optique non linéaire est attribuée à une expérience menée en 1961 par Peter Franken et ses collègues avec un laser rubis pulsé, dans laquelle ils ont observé l'effet non linéaire de la génération de deuxième harmonique (SHG, doublage de fréquence) pour la première fois. Le contrôle dynamique des non-linéarités optiques reste aujourd'hui confiné aux laboratoires de recherche en tant qu'outil spectroscopique.
Maintenant en train d'écrire Photonique de la nature , Tao Jiang et al. rapportent que la génération non linéaire de troisième harmonique (THG, triplement de fréquence) peut être largement réglé dans le graphène à l'aide d'une tension de grille électrique. Cela a de nombreuses applications potentielles - gate-tunable, Les mécanismes optiques non linéaires du graphène et d'autres matériaux de type graphène 2D sont souhaitables pour concevoir de futures applications photoniques et optoélectroniques sur puce avec une vitesse extrêmement élevée et une compatibilité métal-oxyde complémentaire (CMOS) pour la fabrication de dispositifs. La génération de deuxième harmonique électriquement accordable a déjà été signalée dans d'autres matériaux 2D, tels que le diséléniure de tungstène (WSe
Les processus non linéaires du troisième ordre sont également connus sous le nom de mélange à quatre ondes, car ils mélangent trois champs pour en produire un quatrième. Les derniers résultats de Jiang et al. proviennent de la capacité d'ajuster le potentiel chimique (E
La bande passante de fonctionnement du THG accordable par porte variait de ~ 1300 nm à 1650 nm, couvrant la gamme spectrale la plus courante pour les télécommunications par fibre optique à 1550 nm. Une largeur de bande de fonctionnement aussi large résulte de la distribution d'énergie des fermions de graphène Dirac. L'observation est similaire à une enquête parallèle publiée dans Nature Nanotechnologie pour contrôler électriquement l'efficacité THG (THGE) du graphène, également attribué aux fermions de Dirac sans masse. Globalement, les non-linéarités optiques accordables à large bande du graphène observées expérimentalement offrent une nouvelle approche pour construire des dispositifs optiques non linéaires accordables électriquement dans la pratique.
Représentation schématique des effets multiphotons dans les fermions de graphène Dirac :l'augmentation du potentiel chimique |Ef| peut désactiver avec succès un photon (|Ef|> 1/2ħω0), à deux photons (|Ef|> ħω0), et transitions interbandes à trois photons (|Ef |> 3/2ħω0) par blocage de Pauli. Les transitions interbandes à deux photons contribuent positivement à la susceptibilité optique non linéaire de troisième ordre [χ(3)], tandis que les transitions interbandes à un et trois photons contribuent négativement. Les flèches rouges indiquent les photons d'entrée à la fréquence ω0 et les flèches bleues indiquent les photons de troisième harmonique générés à la fréquence 3ω0. , constante de Planck réduite. Crédit: Photonique de la nature , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
Les interconnexions électroniques existantes (câbles en cuivre) par exemple, subir une perte de bande passante en raison de restrictions de performances, entraver le traitement accéléré de l'information requis pour le streaming multimédia, l'informatique en nuage et l'Internet des objets (IoT). Il existe un besoin croissant de réguler la lumière et de développer des compacts, rentable, interconnexions optiques hautes performances pour une bande passante plus élevée et moins de pertes.
Les futurs efforts de recherche sont susceptibles d'améliorer les effets observés en utilisant une variété d'approches, y compris l'intégration guide d'ondes/fibre et les résonateurs optiques. En outre, divers polaritons et métamatériaux photoniques peuvent fournir une amélioration et une manipulation localisées des non-linéarités optiques dans les matériaux 2D pour créer des plasmons de surface et relever les défis prévus du développement de dispositifs nanophotoniques et nanophysiques non linéaires, avec des solutions optiques avancées.
Méthodes pour améliorer et manipuler les réponses optiques non linéaires dans les matériaux 2D :a) cavité à cristal photonique, b) résonateur à microdisque, c) résonateur micro-anneau accordable électriquement, d) structure plasmonique. Flèches rouges =photons d'entrée, flèches bleue et verte =photons générés à différentes fréquences. Crédit: Photonique de la nature , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
Les connaissances peuvent être étendues à d'autres processus optiques non linéaires dans le graphène, y compris la génération d'harmoniques d'ordre élevé. La technologie existante avec les cristaux en vrac traditionnels a atteint une limite technique pour réaliser les applications optoélectroniques envisagées, en raison de leur susceptibilité optique non linéaire relativement faible et de la complexité et du coût, méthodes de fabrication et d'intégration. L'amélioration de l'interaction optique non linéaire démontrée dans les matériaux 2D devrait idéalement être développée parallèlement à la production de matériaux 2D à grande échelle et de haute qualité, pour permettre des approches complètement différentes pour la construction de nanodispositifs accordables électriquement. De tels nanodispositifs peuvent faciliter les avancées proposées en métrologie, sentir, imagerie, technologie quantique et télécommunications.
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