Os pesquisadores da Georgia Tech Kyu-Tae Lee e Mohammad Taghinejad demonstram a duplicação da frequência em uma placa de dióxido de titânio usando um laser vermelho para criar efeitos não lineares com pequenos triângulos de ouro. O feixe azul mostra a luz com freqüência duplicada e o feixe verde controla a migração de elétrons quentes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Os pesquisadores demonstraram uma nova técnica totalmente ótica para criar efeitos não lineares de segunda ordem robustos em materiais que normalmente não os suportam. Usando um pulso de laser disparado em uma matriz de triângulos de ouro em um dióxido de titânio (TiO 2 ) laje, os pesquisadores criaram elétrons excitados que dobraram brevemente a frequência de um feixe de um segundo laser ao ricochetear no TiO amorfo 2 laje.
Ao ampliar a gama de materiais ópticos úteis para aplicações optoeletrônicas em micro e nanoescala, o trabalho pode dar aos engenheiros ópticos novas opções para a criação de efeitos não lineares de segunda ordem, que são importantes em áreas como computadores ópticos, processadores de dados de alta velocidade e bioimagem seguros para uso no corpo humano.
"Agora que podemos quebrar opticamente a simetria cristalina de materiais tradicionalmente lineares, como o dióxido de titânio amorfo, uma gama muito mais ampla de materiais ópticos pode ser adotada na corrente principal de aplicações de micro e nanotecnologia, como processadores de dados ópticos de alta velocidade, "disse Wenshan Cai, professor da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação do Georgia Institute of Technology.
Os resultados da prova de conceito foram relatados em 2 de janeiro no jornal Cartas de revisão física . A pesquisa recebeu apoio do Office of Naval Research, a National Science Foundation, e o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
A maioria dos materiais ópticos tende a ter uma estrutura de cristal simétrica que limita sua capacidade de criar efeitos não lineares de segunda ordem, como duplicação de frequência, que têm importantes aplicações tecnológicas. Até agora, esta simetria só poderia ser interrompida pela aplicação de sinais elétricos ou tensão mecânica ao cristal.
Um laser vermelho cria efeitos não lineares com pequenos triângulos de ouro. O feixe azul mostra a luz com freqüência duplicada e o feixe verde controla a migração de elétrons quentes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
No laboratório, Cai e colaboradores Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee e Tianquan Lian criaram uma série de pequenos triângulos plasmônicos de ouro na superfície de um TiO centrossimétrico 2 laje. Eles então iluminaram a estrutura de TiO2 / ouro com um pulso de luz laser vermelha, que agia como um interruptor ótico para quebrar a simetria cristalina do material. O amorfo TiO 2 a laje não suportaria naturalmente fortes efeitos não lineares de segunda ordem.
"O interruptor óptico excita elétrons de alta energia dentro dos triângulos de ouro, e alguns dos elétrons migram para o dióxido de titânio a partir das pontas dos triângulos, "Cai explicou." Desde a migração dos elétrons para o TiO 2 a laje acontece principalmente nas pontas dos triângulos, a migração de elétrons é espacialmente um processo assimétrico, quebrando fugazmente a simetria do cristal de dióxido de titânio de uma forma óptica. "
O efeito de quebra de simetria induzido é observado quase instantaneamente após o pulso de laser vermelho ser acionado, dobrando a frequência de um segundo laser que é então refletido no dióxido de titânio contendo os elétrons excitados. O tempo de vida da não linearidade de segunda ordem induzida geralmente depende de quão rápido os elétrons podem migrar de volta do dióxido de titânio para os triângulos de ouro após o desaparecimento do pulso. No estudo de caso relatado pelos pesquisadores, o efeito não linear induzido durou alguns picossegundos, que, segundo os pesquisadores, é suficiente para a maioria das aplicações em que pulsos curtos são usados. Um laser de onda contínua estável pode fazer esse efeito durar enquanto o laser estiver ligado.
"A força da resposta não linear induzida depende fortemente do número de elétrons que podem migrar dos triângulos de ouro para a placa de dióxido de titânio, "Cai acrescentou." Podemos controlar o número de elétrons migrados por meio da intensidade da luz laser vermelha. Aumentar a intensidade do interruptor óptico gera mais elétrons dentro dos triângulos de ouro, e, portanto, envia mais elétrons para o TiO 2 laje."
O diagrama mostra o processo para quebrar a simetria de inversão via transferência de elétrons quentes. Crédito:Georgia Tech
Pesquisas adicionais serão necessárias para construir a prova de conceito, que mostrou pela primeira vez que a simetria do cristal de materiais centrossimétricos pode ser quebrada por meios ópticos, via migrações de elétrons assimétricas.
“Para abordar os critérios práticos detalhados na essência de nossa técnica, ainda precisamos desenvolver diretrizes que nos digam qual combinação de plataforma de metal / material semicondutor deve ser usada, que forma e dimensão maximizariam a força do efeito não linear de segunda ordem induzido, e qual faixa de comprimento de onda do laser deve ser usada para a luz de comutação, "Cai notou.
A duplicação de frequência é apenas uma aplicação potencial para a técnica, ele disse.
"Acreditamos que nossas descobertas não apenas fornecem variedades de oportunidades no campo da nanofotônica não linear, mas também terá um papel importante no campo do tunelamento de elétrons quânticos, "Cai acrescentou." De fato, construído com base no conhecimento acumulado neste campo, nosso grupo está desenvolvendo novos paradigmas para empregar a técnica de quebra de simetria introduzida como uma sonda óptica para monitorar o tunelamento quântico de elétrons em plataformas de material híbrido. Hoje em dia, alcançar este objetivo desafiador só é possível com técnicas de microscopia de tunelamento de varredura (STM), que são muito lentos e apresentam baixo rendimento e sensibilidade. "
