Olinjär optik, en studie av hur ljus interagerar med materia, är avgörande för många fotoniska applikationer, från de gröna laserpekarna vi alla känner till intensiva bredbands (vita) ljuskällor för kvantfotonik som möjliggör optisk kvantberäkning, superupplöst avbildning, optisk avkänning och intervall, och mer. Genom olinjär optik, forskare upptäcker nya sätt att använda ljus, från att få en närmare titt på ultrasnabba processer i fysik, biologi, och kemi för att förbättra kommunikation och navigering, skörd av solenergi, medicinsk testning, och cybersäkerhet.

Columbia Engineering forskare rapporterar att de utvecklat en ny, effektivt sätt att modulera och förbättra en viktig typ av olinjär optisk process:optisk andra harmonisk generation - där två ingående fotoner kombineras i materialet för att producera en foton med dubbelt så mycket energi - från sexkantig bornitrid genom mikromekanisk rotation och flerskiktad stapling. Studien publicerades online den 3 mars av Vetenskapliga framsteg .

"Vårt arbete är det första som utnyttjar den dynamiskt avstämbara symmetrin för 2-D-material för olinjära optiska applikationer, "sa James Schuck, docent i maskinteknik, som ledde studien tillsammans med James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik.

Ett hett ämne inom 2-D-material har undersökt hur vridning eller rotation av ett lager i förhållande till ett annat kan förändra de elektroniska egenskaperna hos det skiktade systemet-något som inte kan göras i 3D-kristaller eftersom atomerna är bindande så tätt ihop i ett 3D-nätverk. Att lösa denna utmaning har lett till ett nytt forskningsområde som kallas "twistronics". I denna nya studie, laget använde begrepp från twistronics för att visa att de även gäller optiska egenskaper.

"Vi kallar detta nya forskningsområde för twistoptics, ", säger Schuck." Vår twistoptics -strategi visar att vi nu kan uppnå gigantiska olinjära optiska svar i mycket små volymer - bara några atomlagertjocklekar - vilket möjliggör, till exempel, intrasslad fotongeneration med en mycket mer kompakt, chipkompatibelt fotavtryck. Dessutom, svaret är fullt inställbart på begäran. "

De flesta av dagens konventionella olinjära optiska kristaller är gjorda av kovalent bundna material, såsom litiumniobat och bariumborat. Men eftersom de har styva kristallstrukturer, det är svårt att konstruera och kontrollera deras olinjära optiska egenskaper. För de flesta applikationer, fastän, viss grad av kontroll över ett materials olinjära optiska egenskaper är väsentlig.

Gruppen fann att van der Waals flerskiktskristaller ger en alternativ lösning för att konstruera optisk olinearitet. Tack vare den extremt svaga mellanlagerkraften, forskarna kunde enkelt manipulera relativ kristallorientering mellan angränsande lager genom mikromekanisk rotation. Med förmågan att styra symmetri vid gränsen för atomskikt, de visade exakt avstämning och jättestor förbättring av den optiska andra harmoniska generationen med mikrotrotatoranordningar och supergitterstrukturer, respektive. För supergaller, laget använde först lagerrotation för att skapa "vridna" gränssnitt mellan lager som ger ett extremt starkt olinjärt optiskt svar, och staplade sedan flera av dessa "vridna" gränssnitt ovanpå varandra.

"Vi visade att den olinjära optiska signalen faktiskt skalas med kvadraten av antalet vridna gränssnitt, "sa Kaiyuan Yao, en postdoktor i Schuck's lab och medförfattare till uppsatsen. "Så detta gör det redan stora olinjära svaret på ett enda gränssnitts storleksordningar ännu starkare."

Gruppens resultat har flera möjliga tillämpningar. Stämbar andra harmoniska generationen från mikrorotatorer kan leda till nya omvandlare på chip som kopplar mikromekanisk rörelse till känsliga optiska signaler genom att göra mekanisk rörelse till ljus. Detta är avgörande för många sensorer och enheter som atomkraftmikroskop.

Att stapla flera bornitrid -tunna filmer ovanpå varandra med kontrollerad vridningsvinkel visade kraftigt förbättrat olinjärt svar. Detta kan erbjuda ett nytt sätt att tillverka effektiva olinjära optiska kristaller med atomprecision. Dessa kan användas i ett brett spektrum av laser (såsom de gröna laserpekarna), optisk spektroskopi, bildbehandling, och metrologiska system. Och kanske viktigast, de skulle kunna tillhandahålla ett kompakt medel för att generera intrasslade fotoner och enstaka fotoner för nästa generations optisk kvantinformationsbehandling och beräkning.

Detta arbete var ett samarbete som genomfördes vid Energy Frontier Research Center om programmerbara kvantmaterial i Columbia, med teorisamarbetspartners vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. Enhetstillverkningen gjordes delvis i renrummet för Columbia Nano Initiative.

"Vi hoppas, "Schuck sa, "att denna demonstration ger en ny twist i den pågående berättelsen som syftar till att utnyttja och kontrollera materialens egenskaper."