Inte långt efter utvecklingen av den första lasern 1960 upptäckte forskare att lysande av en stråle genom vissa kristaller gav ljus av en annan färg; mer specifikt, den producerade ljus med exakt dubbelt så stor frekvens som originalet. Fenomenet kallades för andra harmoniska generationen.

De gröna laserpekarna som används idag för att illustrera presentationer är baserade på denna vetenskap, men att producera en så vacker smaragdstråle är ingen lätt grej. Det gröna ljuset börjar som en infraröd stråle som först måste bearbetas genom en kristall, olika linser och andra optiska element innan det kan belysa den PowerPoint på skärmen före dig.

Det upptäcktes senare att applicering av ett elektriskt fält på vissa kristaller gav en liknande, fast svagare, ljusstråle. Denna andra upptäckten, känd som EFISH-för elektrisk fältinducerad andra harmonisk ljusgenerering-har mestadels uppgått till en intressant bit vetenskaplig kunskap och lite mer. EFISH -enheter är stora, krävande kraftfulla lasrar, stora kristaller och tusentals volt för att producera effekten. Som ett resultat, de är opraktiska för alla utom några applikationer.

I en artikel publicerad idag Vetenskap , ingenjörer från Stanford har demonstrerat en ny enhet som krymper EFISH -enheter i storleksordningen till nanoskala. Resultatet är en ultrakompakt ljuskälla med både optiska och elektriska funktioner. Forskningsimplikationer för enheten sträcker sig från en bättre förståelse av grundvetenskap till förbättrad datakommunikation.

Fjäderbelastade elektroner

Enheten är baserad på de fysiska krafter som binder elektroner i omloppsbana runt en kärna.

"Det är som en vår, "sa Mark Brongersma, docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford.

I de flesta fallen, när du tänder ett ljus på en atom, den tillsatta energin kommer att dra elektronen bort från den positivt laddade kärnan mycket förutsägbart, på ett linjärt sätt, så att när ljuset släcks och elektronen springer tillbaka till sin ursprungliga bana, den frigjorda energin är densamma som ljuset som förskjutit den.

Nyckelfrasen här är:"i de flesta fall." När ljuskällan är en högintensiv laser som lyser på ett fast ämne, forskare upptäckte att ju längre elektronerna dras bort från kärnorna desto mindre linjärt interagerar ljuset med atomerna.

"Med andra ord, ljus-materia-interaktionen blir olinjär, "sa Alok Vasudev, en doktorand och medförfattare till uppsatsen. "Ljuset du får ut är annorlunda än det ljus du lägger i. Lyser en stark nära-infraröd laser på kristallen och grönt ljus exakt två gånger frekvensen kommer fram."

Tekniska möjligheter

"Nu, Alok och jag har tagit denna kunskap och reducerat den till nanoskala, "sa tidningens första författare, Wenshan Cai, en postdoktoral forskare i Brongersmas laboratorium. "För första gången har vi en olinjär optisk enhet i nanoskala som har både optisk och elektrisk funktionalitet. Och detta erbjuder några intressanta tekniska möjligheter."

För många fotoniska tillämpningar, inklusive signal- och informationsbehandling, det är önskvärt att elektriskt manipulera olinjär ljusgenerering. Den nya enheten påminner om en fluga i nanoskala med två halvor av symmetriskt guldblad som närmar sig, men inte riktigt rörande, i mitten. Denna tunna slits mellan de två halvorna är fylld med ett olinjärt material. Det smala är kritiskt. Det är bara 100 nanometer över.

"EFISH kräver ett stort elektriskt fält. Från grundläggande fysik vet vi att styrkan hos ett elektriskt fält skalar linjärt med den applicerade spänningen och omvänt med avståndet mellan elektroderna - mindre avstånd, starkare fält och vice versa, "sa Brongersma." Så, om du har två elektroder placerade extremt nära varandra, som vi gör i vårt experiment, det krävs inte många volt för att producera ett gigantiskt elektriskt fält. Faktiskt, det tar bara en enda volt. "

"Det är denna grundläggande vetenskap som gör att vi kan krympa enheten med storleksordningar från den mänskliga skalan till nanoskala, "sa Cai.

Ange plasmonik

Brongersmas kompetensområde, plasmonik, går sedan in på scenen. Plasmonik är studiet av ett märkligt fysiskt fenomen som uppstår när ljus och metall interagerar. När fotoner slår mot metall producerar de energivågor som strömmar utåt över metallens yta, som krusningarna när en sten rullas ner i en damm.

Ingenjörer har lärt sig att styra ringarnas riktning genom att mönstra metallens yta på ett sådant sätt att nästan alla energivågor tras inåt mot slitsen mellan de två metallelektroderna.

Ljuset häller in i sprickan som över kanten av ett vattenfall och där intensifieras det, producerar ljus cirka 80 gånger starkare än de redan intensiva lasernivåer som det kom från. Forskarna applicerar sedan en blygsam spänning på metallen vilket resulterar i det enorma elektriska fält som är nödvändigt för att producera en EFISH -stråle.

Praktiska tillämpningar

"Denna typ av enhet kan en dag hitta applikationer i kommunikationsindustrin, "säger Brongersma." De flesta massor av information och interaktion på sociala medier skickar vi genom våra datacenter, och framtida data som vi en gång kommer att skapa, sparas och överförs som elektrisk energi - ettor och nollor. "

"De enorna och nollorna är bara en omkopplare; en är på, noll är avstängd, "sa Cai." Eftersom mer energieffektiv optisk informationstransport snabbt blir viktigare, Det är inte ett stort steg att se varför enheter som kan konvertera elektriska till optiska signaler och tillbaka är av stort värde. "

För närvarande, dock, forskarna varnar för att praktiska tillämpningar finns kvar på vägen, men de har skapat något nytt.

"Det är en bra grundvetenskap, "sa Brongersma." Det är arbete som kombinerar flera discipliner - olinjär optik, elektronik, plasmonik, och nanoskala - till en riktigt intressant enhet som kan hålla oss sysselsatta ett tag. "