Lasrar finns överallt. Enheter som använder dem överför information och möjliggör långdistanskommunikation och internet; de hjälper läkare som utför operationer och ingenjörer som tillverkar avancerade verktyg och teknologier; och dagligen stöter vi på laser när vi skannar våra matvaror och tittar på DVD-skivor. "Under de 60-några åren sedan de uppfanns har lasrar absolut förändrat våra liv", säger Giulio Cerullo, en ickelinjär optikforskare vid Politecnico di Milano i Italien.

Idag, med hjälp av ny forskning från Cerullo och medarbetare vid Columbia University publicerad i Nature Photonics , enheter som använder laser är redo att bli mycket mindre.

Arbetar i ingenjör James Schucks labb vid Columbia, Ph.D. student Xinyi Xu och postdoc Chiara Trovatello studerade ett 2D-material som heter molybdendisulfid (MoS₂ ). De kännetecknade hur effektivt enheter byggda från högar av MoS₂ mindre än en mikron tjock – det är 100 gånger tunnare än ett människohår – konvertera ljusfrekvenser vid telekomvåglängder för att producera olika färger.

Denna nya forskning är ett första steg mot att ersätta standardmaterialen som används i dagens avstämbara lasrar, som mäts i millimeter och centimeter, säger Trovatello, som nyligen avslutade sin doktorsexamen. med Cerullo i Milano. "Icke-linjär optik är för närvarande en makroskopisk värld, men vi vill göra den mikroskopisk," sa hon.

Lasrar avger en speciell sorts koherent ljus, vilket innebär att alla fotoner i strålen delar samma frekvens och därmed färg. Lasrar fungerar bara vid specifika frekvenser, men enheter måste ofta kunna distribuera olika färger av laserljus. Till exempel produceras en grön laserpekare faktiskt av en infraröd laser som omvandlas till en synlig färg av ett makroskopiskt material. Forskare använder icke-linjära optiska tekniker för att ändra färgen på laserljus, men konventionellt använda material måste vara relativt tjocka för att färgkonvertering ska ske effektivt.

MoS₂ är ett av de mest studerade exemplen på en framväxande klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, som kan skalas i atomärt tunna lager. Enkla lager av MoS₂ kan konvertera ljusfrekvenser effektivt, men är faktiskt för tunna för att användas för att bygga enheter. Större kristaller av MoS_2, under tiden, tenderar att vara mer stabil i en icke-färgkonverterande form. För att tillverka de nödvändiga kristallerna, känd som 3R-MoS₂ , arbetade teamet med den kommersiella 2D-materialleverantören HQ Graphene.

Med 3R-MoS₂ i handen började Xu skala av prover av varierande tjocklek för att testa hur effektivt de omvandlade ljusets frekvens. Genast blev resultaten spektakulära. "Sällan inom vetenskapen börjar du på ett projekt som slutar fungera bättre än du förväntar dig - vanligtvis är det tvärtom. Det här var ett sällsynt, magiskt fall," anmärkte Schuck. Vanligtvis behövs speciella sensorer för att registrera ljuset som produceras av ett prov, och det tar lite tid för dem att göra det, förklarade Xu. "Med 3R-MoS₂ , vi kunde se den extremt stora förbättringen nästan omedelbart," sa han. Noterbart spelade teamet in dessa omvandlingar vid telekomvåglängder, en nyckelfunktion för potentiella optiska kommunikationstillämpningar, som att leverera internet- och tv-tjänster.

I en lycklig olycka under en skanning fokuserade Xu på en slumpmässig kant av en kristall och såg fransar som antydde att vågledarlägen fanns inuti materialet. Vågledarlägen håller olika färgfotoner, som annars rör sig med olika hastigheter över kristallen, synkroniserade och kan möjligen användas för att generera så kallade entangled photoner, en nyckelkomponent i kvantoptikapplikationer. Teamet lämnade sina enheter till fysikern Dmitri Basovs labb, där hans postdoc Fabian Mooshammer bekräftade deras gissning.

För närvarande är den mest populära kristallen för vågledd omvandling och generering av intrasslade fotoner litiumniobat, ett hårt och styvt material som måste vara ganska tjockt för att uppnå användbar omvandlingseffektivitet. 3R-MoS₂ är lika effektiv men 100 gånger mindre och flexibel nog att den kan kombineras med kiselfotoniska plattformar för att skapa optiska kretsar på kretsar, som följer banan för allt mindre elektronik.

Med detta proof-of-concept-resultat är flaskhalsen mot verkliga applikationer storskalig produktion av 3R-MoS₂ och högkapacitetsstrukturering av enheter. Där, säger teamet, kommer industrin att behöva ta över. Med detta arbete hoppas de att de har visat löftet om 2D-material.

"Jag har arbetat med olinjär optik i mer än trettio år nu. Forskningen är oftast inkrementell och bygger långsamt på det som kom innan. Det är sällan man gör något helt nytt med stor potential", säger Cerullo. "Jag har en känsla av att det här nya materialet kan förändra spelet." + Utforska vidare

Denna "nanokavitet" kan förbättra ultratunna solpaneler, videokameror och mer