Une nouvelle façon de contrôler la non-linéarité optique – Technoguide

Les chercheurs de Columbia conçoivent une première technique pour exploiter la symétrie accordable des matériaux 2D pour des applications optiques non linéaires, y compris les systèmes laser, de spectroscopie optique, d’imagerie et de métrologie, ainsi que le traitement et l’informatique quantiques optiques de nouvelle génération.

L’optique non linéaire, une étude de la façon dont la lumière interagit avec la matière, est essentielle pour de nombreuses applications photoniques, des pointeurs laser verts que nous connaissons tous aux sources de lumière intense à large bande (blanche) pour la photonique quantique qui permettent l’informatique quantique optique, super-résolution imagerie, détection optique et télémétrie, et plus encore. Grâce à l’optique non linéaire, les chercheurs découvrent de nouvelles façons d’utiliser la lumière, allant d’un examen plus approfondi des processus ultrarapides en physique, biologie et chimie à l’amélioration de la communication et de la navigation, de la récolte d’énergie solaire, des tests médicaux et de la cybersécurité.

Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent avoir développé un nouveau moyen efficace de moduler et d’améliorer un type important de processus optique non linéaire: la génération optique de deuxième harmonique – où deux photons d’entrée sont combinés dans le matériau pour produire un photon avec deux fois l’énergie – de nitrure de bore hexagonal par rotation micromécanique et empilement multicouche. L’étude a été publiée en ligne le 3 mars par Science Advances.

«Notre travail est le premier à exploiter la symétrie dynamiquement réglable des matériaux 2D pour des applications optiques non linéaires», a déclaré James Schuck, professeur agrégé de génie mécanique, qui a dirigé l’étude avec James Hone, professeur Wang Fong-Jen de génie mécanique.

Un sujet brûlant dans le domaine des matériaux 2D a été d’explorer comment la torsion ou la rotation d’une couche par rapport à une autre peut changer les propriétés électroniques du système en couches – ce qui ne peut pas être fait dans les cristaux 3D parce que les atomes sont si étroitement liés les uns aux autres. dans un réseau 3D. La résolution de ce défi a conduit à un nouveau domaine de recherche appelé «twistronics». Dans cette nouvelle étude, l’équipe a utilisé des concepts de twistronics pour montrer qu’ils s’appliquent également aux propriétés optiques.

“Nous appelons ce nouveau domaine de recherche” l’optique à torsion “”, a déclaré Schuck. «Notre approche de l’optique torsadée démontre que nous pouvons désormais obtenir des réponses optiques non linéaires géantes dans de très petits volumes – juste quelques épaisseurs de couche atomique – permettant, par exemple, la génération de photons intriqués avec une empreinte beaucoup plus compacte et compatible avec les puces. De plus, la réponse est entièrement réglable à la demande. “

La plupart des cristaux optiques non linéaires conventionnels d’aujourd’hui sont constitués de matériaux liés de manière covalente, tels que le niobate de lithium et le borate de baryum. Mais comme ils ont des structures cristallines rigides, il est difficile de concevoir et de contrôler leurs propriétés optiques non linéaires. Pour la plupart des applications, cependant, un certain degré de contrôle sur les propriétés optiques non linéaires d’un matériau est essentiel.

Le groupe a découvert que les cristaux multicouches de van der Waals offrent une solution alternative pour l’ingénierie de la non-linéarité optique. Grâce à la force extrêmement faible entre les couches, les chercheurs ont pu facilement manipuler l’orientation relative des cristaux entre les couches voisines par rotation micromécanique. Avec la capacité de contrôler la symétrie à la limite de la couche atomique, ils ont démontré un réglage précis et une amélioration géante de la génération optique de deuxième harmonique avec des dispositifs à micro-rotateurs et des structures de super-réseau, respectivement. Pour les super-réseaux, l’équipe a d’abord utilisé la rotation des couches pour créer des interfaces «torsadées» entre les couches qui produisent une réponse optique non linéaire extrêmement forte, puis a empilé plusieurs de ces interfaces «torsadées» les unes sur les autres.

«Nous avons montré que le signal optique non linéaire évolue en fait avec le carré du nombre d’interfaces torsadées», a déclaré Kaiyuan Yao, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Schuck et co-auteur principal de l’article. “Cela rend donc la réponse non linéaire déjà importante d’un ordre de grandeur d’interface unique encore plus forte.”

Les conclusions du groupe ont plusieurs applications potentielles. Une deuxième génération harmonique accordable à partir de micro-rotateurs pourrait conduire à de nouveaux transducteurs sur puce qui couplent le mouvement micromécanique à des signaux optiques sensibles en transformant le mouvement mécanique en lumière. Ceci est essentiel pour de nombreux capteurs et appareils tels que les microscopes à force atomique.

L’empilement de plusieurs couches minces de nitrure de bore les uns sur les autres avec un angle de torsion contrôlé a démontré une réponse non linéaire grandement améliorée. Cela pourrait offrir une nouvelle façon de fabriquer des cristaux optiques non linéaires efficaces avec une précision atomique. Ceux-ci pourraient être utilisés dans une large gamme de systèmes laser (tels que les pointeurs laser verts), de spectroscopie optique, d’imagerie et de métrologie. Et peut-être plus important encore, ils pourraient fournir un moyen compact pour générer des photons intriqués et des photons uniques pour le traitement et le calcul optique de l’information quantique de nouvelle génération.

Ce travail était une collaboration menée au Centre de recherche Energy Frontier sur les matériaux quantiques programmables à Columbia, avec des collaborateurs théoriques de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière. La fabrication de l’appareil a été partiellement réalisée dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative.

“Nous espérons”, a déclaré Schuck, “que cette démonstration apporte une nouvelle tournure dans le récit en cours visant à exploiter et à contrôler les propriétés des matériaux.”

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