Elektriska ingenjörer vid Duke University har upptäckt att förändring av den fysiska formen hos en klass av material som vanligtvis används inom elektronik och nära- och mellaninfraröd fotonik - kalkogenidglasögon - kan utöka deras användning till de synliga och ultravioletta delarna av det elektromagnetiska spektrumet. Används redan kommersiellt i detektorer, linser och optiska fibrer, chalcogenide -glasögon kan nu hitta ett hem i applikationer som undervattenskommunikation, miljöövervakning och biologisk avbildning.

Resultaten visas online den 5 oktober i tidningen Naturkommunikation.

Som namnet antyder, kalkogenidglas innehåller en eller flera kalkogener – kemiska ämnen som svavel, selen och tellur. Men det finns en medlem i familjen som de lämnar utanför:syre. Deras materialegenskaper gör dem till ett starkt val för avancerade elektroniska applikationer som optisk omkoppling, ultraliten direkt laserskrivning (tänk små omskrivbara CD-skivor) och molekylärt fingeravtryck. Men eftersom de starkt absorberar våglängder av ljus i de synliga och ultravioletta delarna av det elektromagnetiska spektrumet, kalkogenidglas har länge varit begränsade till nära- och mellaninfrarött med avseende på deras tillämpningar inom fotonik.

"Kalkogenider har använts i nära och mitten av IR under lång tid, men de har alltid haft den här grundläggande begränsningen att vara förlustiga vid synliga och UV-våglängder, "sa Natalia Litchinitser, professor i el- och datateknik vid Duke. "Men nyare forskning om hur nanostrukturer påverkar hur dessa material reagerar på ljus visade att det kan finnas en väg runt dessa begränsningar."

I nyligen genomförd teoretisk forskning om egenskaperna hos galliumarsenid (GaAs), en halvledare som vanligtvis används inom elektronik, Litchinitsers medarbetare, Michael Scalora från US Army CCDC Aviation and Missile Center och Maria Vincenti från University of Brescia förutspådde att nanostrukturerade GaAs kan reagera på ljus annorlunda än dess motsvarigheter i bulk eller till och med tunnfilm. På grund av det sätt som optiska pulser med hög intensitet interagerar med det nanostrukturerade materialet, mycket tunna trådar av materialet som är uppradade bredvid varandra kan skapa harmoniska frekvenser av högre ordning (kortare våglängder) som kan färdas genom dem.

Föreställ dig en gitarrsträng som är stämd för att ge resonans vid 256 Hertz – även känd som mellan C. Forskarna föreslog att om den tillverkades helt rätt, När den här strängen plockas kan den också vibrera vid frekvenser en eller två oktaver högre i små mängder.

Litchinitser och hennes Ph.D. studenten Jiannan Gao bestämde sig för att se om detsamma kan gälla för kalkogenidglasögon. För att testa teorin, kollegor vid Naval Research Laboratory deponerade en 300-nanometer tunn film av arsenik-trisulfid på ett glasunderlag som sedan nanostrukturerades med elektronstrålelitografi och reaktiv jonetsning för att producera arsenik-trisulfid-nanotrådar med 430 nanometer breda och 625 nanometer från varandra.

Även om arseniktrisulfid helt absorberar ljus över 600 THz - ungefär färgen på cyan - upptäckte forskarna att deras nanotrådar överförde små signaler vid 846 THz, som är helt och hållet i det ultravioletta spektrumet.

"Vi fann att belysning av en metayta gjord av noggrant utformade nanotrådar med nära infrarött ljus resulterade i generering och överföring av både den ursprungliga frekvensen och dess tredje överton, vilket var mycket oväntat eftersom den tredje övertonen faller inom det område där materialet borde absorbera den, " sa Litchinitser.

Detta kontraintuitiva resultat beror på effekten av ickelinjär generering av tredje överton och dess "faslåsning" med den ursprungliga frekvensen. "Den initiala pulsen fångar den tredje övertonen och på ett sätt lurar materialet att låta dem båda passera utan någon absorption, "Sa Litchinitser.

Går vidare, Litchinitser och hennes kollegor arbetar för att se om de kan konstruera olika former av kalkogenider som kan bära dessa harmoniska signaler ännu bättre än de ursprungliga nanoremsorna. Till exempel, de tror att par långa, tunn, Legoliknande block placerade på vissa avstånd från varandra kan skapa en starkare signal vid både tredje och andra övertonsfrekvenser. De förutspår också att stapling av flera lager av dessa metasytor ovanpå varandra kan förstärka effekten.

Om det lyckas, tillvägagångssättet skulle kunna låsa upp ett brett utbud av synliga och ultravioletta applikationer för populärt elektroniskt material och mellaninfrarött fotoniskt material som länge har stängts utanför dessa högre frekvenser.