Fig. 1. Diagrama esquemático do esquema dual BICs para impulsionar SHG com monocamada WS2 no topo da laje de grade fotônica. Crédito:Compuscript Ltda.
Dois fótons podem ser fundidos para gerar um fóton com frequência dobrada em materiais ópticos não lineares. Esse processo é conhecido como geração de segundo harmônico (SHG), que foi descoberto pela primeira vez na década de 1960, imediatamente após a invenção do laser. Desde então, o desenvolvimento do SHG levou a muitas aplicações em tecnologias avançadas, como fontes de luz no chip, imagens, sensores e comunicações. Por exemplo, os dispositivos de imagem baseados em SHG, que capturam a luz do infravermelho próximo (NIR) e emitem luz na faixa visível, estão no centro do desenvolvimento de novas tecnologias de imagem NIR totalmente ópticas, como a visão noturna.
Embora muitas aplicações em óptica não linear tenham sido demonstradas por meio de materiais a granel tradicionais, os materiais 2D emergentes recentemente oferecem oportunidades sem precedentes no campo da óptica não linear. Por exemplo, quando os cristais de dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) são diluídos para serem monocamada, eles exibem bandgap direto, forte luminescência, excitons estáveis à temperatura ambiente e forte não linearidade de segunda ordem. Essas propriedades ópticas únicas tornam as monocamadas de TMDs uma plataforma atraente para explorar novos efeitos ópticos lineares e não lineares e suas aplicações relacionadas. No entanto, devido ao comprimento de interação em escala atômica com a luz, uma única monocamada de TMDs emite um sinal SHG extremamente baixo, dificultando significativamente o desenvolvimento de metadispositivos não lineares práticos baseados em materiais 2D.
Nos últimos anos, os nanoressonadores dielétricos de alto índice de refração tornaram-se uma plataforma promissora para melhorar o SHG. Além disso, foi demonstrado que a baixa eficiência SHG de materiais 2D pode ser abordada pela ampliação da força do campo de luz dentro de tais ressonadores dielétricos. Eles exibem perdas ópticas insignificantes em comprimentos de onda visíveis e NIR em comparação com suas contrapartes plasmônicas. Entre várias características dos nanoressonadores dielétricos, sua capacidade de exibir forte confinamento do campo de luz, o chamado estado ligado no contínuo (BIC), foi introduzida como uma característica única em nanoressoadores dielétricos. A autofrequência do BIC, situada no espectro contínuo, surgiu como uma abordagem promissora para aprimorar o SHG em materiais 2D.
Fig. 2. Coeficiente de sobreposição espacial e eficiência SHG com um WS2 homogêneo (a-b) e um WS2 padronizado (c-d) no topo da laje da grade fotônica, respectivamente. (a) e (c):O coeficiente de sobreposição espacial dependente de Kx. (b) e (d):A eficiência SHG dependente de Kx monitorada no lado refletido (superior) e transmitido (inferior), respectivamente. A estrela azul em (b) e (d) é um ponto de referência para mostrar a eficiência do SHG com uma monocamada WS2 livre e aquela com WS2 homogênea no topo da grade, respectivamente. A onda fundamental é incidente do lado superior da grade e a intensidade é definida como 0,1 GW/cm
2
. Crédito:Compuscript Ltda.
Recentemente, uma equipe internacional envolvendo a Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China e a Universidade de Nottingham Trent propôs um esquema de BICs duplos com as ondas fundamental e segunda harmônica em ressonância simultaneamente para aumentar a eficiência de conversão de SHG de TMDs monocamada. Conforme mostrado na Fig. 1, o par de BICs são modos de cavidade dentro de uma laje de grade GaP cuidadosamente projetada. Ao transferir a monocamada de TMDs para a placa de BICs, o sinal SHG da monocamada de TMDs pode ser amplamente amplificado devido ao processo de ressonância dual-BICs. Em outras palavras, o campo elétrico da luz fundamental pode ser significativamente aumentado pela excitação do primeiro BIC e, enquanto isso, a excitação do segundo BIC no comprimento de onda harmônico aumentará ainda mais a emissão não linear.
O principal desafio neste estudo foi o casamento de modo espacial dentro da monocamada TMD entre a fundamental ressonante BIC e a onda do segundo harmônico. Os pesquisadores mostraram que inclinar levemente o ângulo de incidência da onda fundamental pode melhorar muito a correspondência de modo espacial dentro da monocamada de TMDs, dando origem a quatro ordens de magnitude de aumento da eficiência do SHG, em comparação com uma única monocamada de TMDs [ver Figs. 2(a)-(b)]. Além disso, ao explorar a natureza 2D da monocamada de TMDs, os pesquisadores demonstraram que padronizar a monocamada de TMDs pode otimizar a correspondência de modo espacial. Isso aumentará ainda mais o processo SHG da monocamada de TMDs e amplificará o sinal SHG em até sete ordens de magnitude, conforme mostrado nas Figs. 2(c)-(d).
Esses resultados, publicados em
Avanços Opto-Eletrônicos , oferecem novas possibilidades para aprimorar o SHG em aplicações práticas com monocamadas de TMDs, demonstrando novas oportunidades para óptica não linear com materiais atômicos 2D finos, incluindo novo tipo de fontes de luz, tecnologia de visão noturna totalmente óptica baseada em conversão de frequência.
+ Explorar mais Uma estratégia para modular diretamente a suscetibilidade óptica de segunda ordem do ditelureto de molibdênio monocamada
