• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  • Resposta óptica não linear de terceira ordem eletricamente ajustável em grafeno
    p Esquema para sintonia de gate do potencial químico:o método ion-gel gating foi adotado no estudo usando a estrutura de transistor de efeito de campo com grafeno (rede hexagonal 2D) suportada por sílica fundida. A estrutura do dispositivo mediu as respostas ópticas lineares e não lineares do grafeno à temperatura ambiente e monitorou o potencial químico (Ef) versus a tensão do portão (Vg) in situ. Crédito: Nature Photonics , doi:10.1038 / s41566-018-0175-7

    p O foco da pesquisa em materiais 2-D se intensificou com seu potencial para modular a luz para desempenho superior e realizar aplicações que podem aprimorar as tecnologias existentes. Grafeno, o material 2-D mais conhecido, derivado de grafite 3-D, constitui uma monocamada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal 2-D, exibindo fortes interações luz-matéria de banda ultralarga, capaz de operar em uma faixa espectral extremamente ampla, adequado para fotônica de próxima geração e dispositivos optoeletrônicos. As propriedades eletrônicas únicas do grafeno se originam dos cones de Dirac, recursos em estruturas de banda eletrônica que hospedam portadores de carga de massa efetiva zero, os chamados férmions de Dirac sem massa que ocorrem em materiais 2-D. Os cientistas de materiais estão atualmente em um estágio de infância experimental para perceber muitas propriedades interessantes das respostas ópticas não lineares do grafeno, para ajudar em sua promessa de interromper a tecnologia existente e facilitar aplicações de amplo alcance. p O nascimento da óptica não linear é creditado a um experimento conduzido em 1961 por Peter Franken e colegas de trabalho com um laser de rubi pulsado, em que observaram o efeito não linear da geração do segundo harmônico (SHG, duplicação da frequência) pela primeira vez. O controle dinâmico de não linearidades ópticas permanece confinado a laboratórios de pesquisa como uma ferramenta espectroscópica no momento.

    p Agora escrevendo em Nature Photonics , Tao Jiang et al. relatam que a geração de terceiro harmônico não linear (THG, triplicar a frequência) pode ser amplamente sintonizado em grafeno usando uma tensão de porta elétrica. Isso tem muitas aplicações potenciais - ajustáveis ​​por gate, mecanismos ópticos não lineares de grafeno e outros materiais 2-D semelhantes ao grafeno são desejáveis ​​para projetar futuras aplicações fotônicas e optoeletrônicas on-chip com velocidade extremamente alta e compatibilidade de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) para a fabricação de dispositivos. A geração de segundo harmônico eletricamente ajustável foi relatada anteriormente em outros materiais 2-D, como disseleneto de tungstênio (WSe 2 ) com excitons, embora a largura de banda espectral fosse limitada. Experimentalmente, sintonizar as frequências de entrada ou o potencial químico (E f ) de grafeno pode fornecer informações detalhadas sobre a resposta óptica não linear de terceira ordem, até agora sugerido em teoria.

    p Os processos não lineares de terceira ordem também são conhecidos como mistura de quatro ondas, já que eles misturam três campos para produzir um quarto. Os últimos resultados de Jiang et al. originam-se da capacidade de ajustar o potencial químico (E f ) de grafeno e ligar ou desligar eletricamente transições ressonantes de fóton único e multifotônico com gating íon-gel (também conhecido como dopagem controlada por porta), para um determinado conjunto de frequências de entrada. Os resultados experimentais combinaram bem com cálculos teóricos para fornecer uma base firme para compreender processos ópticos não lineares de terceira ordem em grafeno e materiais de Dirac semelhantes ao grafeno.

    p A largura de banda de operação do THG sintonizável de porta variou de ~ 1300 nm a 1650 nm, cobrindo a faixa espectral mais comum para telecomunicações de fibra óptica em 1550 nm. Essa largura de banda de operação ampla resultou da distribuição de energia dos férmions de Dirac de grafeno. A observação é semelhante a uma investigação paralela publicada em Nature Nanotechnology para controlar eletricamente a eficiência THG (THGE) do grafeno, igualmente atribuído a férmions Dirac sem massa. Geral, as não linearidades ópticas ajustáveis ​​de porta de banda larga observadas experimentalmente do grafeno oferecem uma nova abordagem para construir dispositivos ópticos não lineares eletricamente ajustáveis ​​na prática.

    p Representação esquemática dos efeitos multifotônicos em férmions de Dirac grafeno:o aumento do potencial químico | Ef | pode desligar com sucesso um fóton (| Ef |> 1 / 2ħω0), dois fótons (| Ef |> ħω0), e transições interbandas de três fótons (| Ef |> 3 / 2ħω0) pelo bloqueio de Pauli. As transições interbandas de dois fótons contribuem para a susceptibilidade óptica não linear de terceira ordem [χ (3)] positivamente, enquanto as transições interbandas de um e três fótons contribuem negativamente. As setas vermelhas indicam os fótons de entrada na frequência ω0 e as setas azuis indicam os fótons de terceiro harmônico gerados na frequência 3ω0. ħ, constante de Planck reduzida. Crédito: Nature Photonics , doi:10.1038 / s41566-018-0201-9.

    p Interconexões eletrônicas existentes (cabos de cobre), por exemplo, sofrer perda de largura de banda devido a restrições de desempenho, impedindo o processamento acelerado de informações necessário para streaming de mídia, computação em nuvem e internet das coisas (IoT). Existe uma necessidade crescente de regular a luz e desenvolver compactos, custo-beneficio, interconexões ópticas de alto desempenho para maior largura de banda e menor perda.

    p É provável que esforços de pesquisas futuras aumentem os efeitos observados usando uma variedade de abordagens, incluindo guia de onda / integração de fibra e ressonadores ópticos. Além disso, vários polaritons e metamateriais fotônicos podem fornecer aprimoramento localizado e manipulação de não linearidades ópticas em materiais 2-D para criar plasmons de superfície e enfrentar os desafios previstos de nanofotônica não linear e desenvolvimento de dispositivos nanofísicos, com soluções ópticas avançadas.

    p Métodos para melhorar e manipular respostas ópticas não lineares em materiais 2D:a) cavidade de cristal fotônico, b) ressonador de microdisco, c) ressonador microring eletricamente ajustável, d) estrutura plasmônica. Setas vermelhas =fótons de entrada, setas azuis e verdes =fótons gerados em frequências diferentes. Crédito: Nature Photonics , doi:10.1038 / s41566-018-0201-9.

    p O conhecimento pode ser estendido a outros processos ópticos não lineares em grafeno, incluindo geração de harmônicos de alta ordem. A tecnologia existente com cristais em massa tradicionais atingiu um limite técnico para realizar as aplicações optoeletrônicas previstas, devido à sua suscetibilidade óptica não linear relativamente pequena e ao complexo e caro, métodos de fabricação e integração. O aprimoramento de interação óptica não linear demonstrado em materiais 2-D idealmente deve ser desenvolvido juntamente com a produção de material 2-D em larga escala e de alta qualidade, para permitir abordagens completamente diferentes para a construção de nanodispositivos eletricamente ajustáveis. Tais nanodispositivos podem facilitar os avanços propostos em metrologia, de detecção, imagem, tecnologia quântica e telecomunicações. p © 2018 Phys.org




    © Ciência https://pt.scienceaq.com