Georgia Tech-forskare Kyu-Tae Lee och Mohammad Taghinejad demonstrerar frekvensfördubbling på en platta av titandioxid med hjälp av en röd laser för att skapa olinjära effekter med små trianglar av guld. Den blå strålen visar det frekvensdubblerade ljuset och den gröna strålen styr migrationen av hetelektroner. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
Forskare har visat en ny helt optisk teknik för att skapa robusta andra ordningens icke-linjära effekter i material som normalt inte stöder dem. Använda en laserpuls avfyrad mot en samling guldtrianglar på en titandioxid (TiO) 2 ) platta, forskarna skapade exciterade elektroner som kort fördubblade frekvensen av en stråle från en andra laser när den studsade av den amorfa TiO 2 platta.
Genom att bredda utbudet av optiska material som är användbara för optoelektroniska applikationer i mikro- och nanoskala, arbetet kan ge optiska ingenjörer nya alternativ för att skapa andra ordningens icke-linjära effekter, som är viktiga inom områden som optiska datorer, höghastighetsdataprocessorer och bioavbildning säker för användning i människokroppen.
"Nu när vi optiskt kan bryta den kristallina symmetrin hos traditionellt linjära material som amorf titandioxid, ett mycket bredare utbud av optiska material kan användas i huvudströmmen av mikro- och nanoteknologitillämpningar som höghastighets optiska dataprocessorer, sade Wenshan Cai, professor vid School of Electrical and Computer Engineering vid Georgia Institute of Technology.
Bevis-of-concept-fynden rapporterades 2 januari i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Forskningen fick stöd från Office of Naval Research, National Science Foundation, och US Department of Energy Office of Science.
En majoritet av optiska material tenderar att ha en symmetrisk kristallstruktur som begränsar deras förmåga att skapa andra ordningens icke-linjära effekter såsom frekvensfördubbling som har viktiga tekniska tillämpningar. Tills nu, denna symmetri kunde bara avbrytas genom att applicera elektriska signaler eller mekanisk spänning på kristallen.
En röd laser skapar olinjära effekter med små trianglar av guld. Den blå strålen visar det frekvensdubblerade ljuset och den gröna strålen styr migrationen av hetelektroner. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
I laboratoriet, Cai och medarbetare Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee och Tianquan Lian skapade en rad små plasmoniska guldtrianglar på ytan av en centrosymmetrisk TiO 2 platta. De belyste sedan TiO2/guldstrukturen med en puls av rött laserljus, som fungerade som en optisk omkopplare för att bryta materialets kristallsymmetri. Den amorfa TiO 2 platta skulle naturligtvis inte stödja starka andra ordningens olinjära effekter.
"Den optiska omkopplaren exciterar högenergielektroner inuti guldtrianglarna, och några av elektronerna migrerar till titandioxiden från trianglarnas spetsar, " Cai förklarade. "Sedan migreringen av elektroner till TiO 2 platta sker främst i spetsarna av trianglar, elektronmigreringen är rumsligt en asymmetrisk process, flyktigt bryter titandioxidkristallsymmetrin på ett optiskt sätt."
Den inducerade symmetribrytande effekten observeras nästan omedelbart efter att den röda laserpulsen utlösts, fördubbling av frekvensen för en andra laser som sedan studsas av titandioxiden som innehåller de exciterade elektronerna. Livslängden för den inducerade andra ordningens olinjäriteten beror i allmänhet på hur snabbt elektroner kan migrera tillbaka från titandioxiden till guldtrianglarna efter att pulsen försvunnit. I fallstudien som forskarna rapporterade, den inducerade olinjära effekten varade i några pikosekunder, vilket forskarna säger räcker för de flesta tillämpningar där korta pulser används. En stabil kontinuerlig våglaser kan göra att denna effekt varar så länge som lasern är på.
"Styrkan hos det inducerade olinjära svaret beror starkt på antalet elektroner som kan migrera från guldtrianglar till titandioxidplattan, " Cai tillade. "Vi kan kontrollera antalet migrerade elektroner genom intensiteten av det röda laserljuset. Att öka intensiteten på den optiska omkopplaren genererar fler elektroner inuti guldtrianglarna, och skickar därför fler elektroner in i TiO 2 platta."
Diagram visar processen för att bryta inversionssymmetrin via het-elektronöverföring. Upphovsman:Georgia Tech
Ytterligare forskning kommer att behövas för att bygga på proof of concept, som för första gången visade att kristallsymmetrin hos centrosymmetriska material kan brytas med optiska medel, via asymmetriska elektronmigrationer.
"För att närma sig de praktiska kriterierna i detalj om kärnan i vår teknik, vi behöver fortfarande utveckla riktlinjer som talar om för oss vilken kombination av metall/halvledarmaterialplattform som ska användas, vilken form och dimension skulle maximera styrkan hos den inducerade andra ordningens olinjära effekten, och vilket laservåglängdsområde som ska användas för växlingsljuset, " noterade Cai.
Frekvensfördubbling är bara en potentiell tillämpning för tekniken, han sa.
"Vi tror att våra fynd inte bara ger olika möjligheter inom området olinjär nanofotonik, men kommer också att spela en stor roll inom området för kvantelektrontunneling, " tillade Cai. "Ja, bygger på den samlade kunskapen inom detta område, vår grupp utarbetar nya paradigm för att använda den introducerade symmetribrytningstekniken som en optisk sond för att övervaka kvanttunneleringen av elektroner i hybridmaterialplattformar. Nu för tiden, att uppnå detta utmanande mål är endast möjligt med scanning tunneling microscopy (STM) tekniker, som är mycket långsamma och visar låg avkastning och känslighet."
