Duas placas de cristais de nitreto de boro são torcidas dinamicamente uma em relação à outra. Em certos ângulos, a luz laser de entrada (feixe laranja) pode ser convertida de forma eficiente em luz de alta energia (feixe rosa), como resultado da quebra de simetria micromecânica. Crédito:Nathan R.Finney e Sanghoon Chae / Columbia Engineering
Óptica não linear, um estudo de como a luz interage com a matéria, é fundamental para muitas aplicações fotônicas, desde os ponteiros laser verdes com os quais estamos todos familiarizados até as fontes de luz intensa de banda larga (branca) para fotônica quântica que permitem a computação quântica óptica, imagem de super-resolução, detecção e alcance ópticos, e mais. Por meio de óptica não linear, pesquisadores estão descobrindo novas maneiras de usar a luz, de olhar mais de perto os processos ultrarrápidos da física, biologia, e química para melhorar a comunicação e navegação, colheita de energia solar, testes médicos, e cibersegurança.
Pesquisadores da Columbia Engineering relatam que desenvolveram um novo maneira eficiente de modular e aprimorar um tipo importante de processo ótico não linear:geração ótica de segundo harmônico - onde dois fótons de entrada são combinados no material para produzir um fóton com o dobro da energia - de nitreto de boro hexagonal por meio de rotação micromecânica e empilhamento de multicamadas. O estudo foi publicado online em 3 de março por Avanços da Ciência .
"Nosso trabalho é o primeiro a explorar a simetria dinamicamente ajustável de materiais 2-D para aplicações ópticas não lineares, "disse James Schuck, professor associado de engenharia mecânica, que liderou o estudo junto com James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica.
Um tópico importante no campo de materiais 2-D tem explorado como torcer ou girar uma camada em relação a outra pode mudar as propriedades eletrônicas do sistema em camadas - algo que não pode ser feito em cristais 3-D porque os átomos estão ligados tão unidos em uma rede 3-D. A solução desse desafio levou a uma nova área de pesquisa denominada "twistrônica". Neste novo estudo, a equipe usou conceitos de twistronics para mostrar que eles também se aplicam a propriedades ópticas.
"Estamos chamando essa nova área de pesquisa de 'twistoptics, '", disse Schuck." Nossa abordagem de twistoptics demonstra que agora podemos alcançar respostas ópticas não lineares gigantes em volumes muito pequenos - apenas algumas espessuras de camada atômica - permitindo, por exemplo, geração de fótons emaranhados com um muito mais compacto, impressão digital compatível com chip. Além disso, a resposta é totalmente ajustável sob demanda. "
Um esquema do experimento. Os cristais de nitreto de boro são gravados em formas de micro-rotadores e empurrados por pontas AFM. Desta maneira, a simetria da estrutura da rede interfacial (a inserção de zoom) é ajustada dinamicamente, resultando em eficiência modulada de conversão de frequência óptica. Crédito:Nathan R.Finney e Sanghoon Chae / Columbia Engineering
A maioria dos cristais ópticos não lineares convencionais de hoje são feitos de materiais ligados covalentemente, tais como niobato de lítio e borato de bário. Mas porque eles têm estruturas de cristal rígidas, é difícil projetar e controlar suas propriedades ópticas não lineares. Para a maioria dos aplicativos, no entanto, algum grau de controle sobre as propriedades ópticas não lineares de um material é essencial.
O grupo descobriu que os cristais de multicamadas de van der Waals fornecem uma solução alternativa para a engenharia da não linearidade óptica. Graças à força intermediária extremamente fraca, os pesquisadores puderam facilmente manipular a orientação relativa do cristal entre as camadas vizinhas por rotação micromecânica. Com a capacidade de controlar a simetria no limite da camada atômica, eles demonstraram um ajuste preciso e um aprimoramento gigante da geração ótica de segundo harmônico com dispositivos de micro-rotadores e estruturas de superrede, respectivamente. Para as superredes, a equipe usou a rotação de camada pela primeira vez para criar interfaces "torcidas" entre as camadas que produzem uma resposta óptica não linear extremamente forte, e, em seguida, empilhou várias dessas interfaces "torcidas" umas sobre as outras.
"Mostramos que o sinal óptico não linear realmente é dimensionado com o quadrado do número de interfaces torcidas, "disse Kaiyuan Yao, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Schuck e co-autor principal do artigo. "Portanto, isso torna a já grande resposta não linear de uma única interface ordens de magnitude ainda mais forte."
As descobertas do grupo têm várias aplicações potenciais. A geração de segunda harmônica ajustável de microrrotadores pode levar a novos transdutores no chip que acoplam o movimento micromecânico a sinais ópticos sensíveis, transformando o movimento mecânico em luz. Isso é crítico para muitos sensores e dispositivos, como microscópios de força atômica.
Empilhar vários filmes finos de nitreto de boro uns sobre os outros com ângulo de torção controlado demonstrou uma resposta não linear bastante aprimorada. Isso poderia oferecer uma nova maneira de fabricar cristais ópticos não lineares eficientes com precisão atômica. Eles podem ser usados em uma ampla gama de laser (como os ponteiros laser verdes), espectroscopia óptica, imagem, e sistemas de metrologia. E talvez o mais significativo, eles poderiam fornecer um meio compacto para gerar fótons emaranhados e fótons únicos para processamento e computação de informação quântica óptica de próxima geração.
Este trabalho foi uma colaboração realizada no Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials em Columbia, com colaboradores teóricos do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria. A fabricação do dispositivo foi parcialmente realizada na sala limpa da Columbia Nano Initiative.
"Nós esperamos, "Schuck disse, "que esta demonstração fornece uma nova reviravolta na narrativa em curso que visa aproveitar e controlar as propriedades dos materiais."
