Schematisk för gate tuning den kemiska potentialen:jon-gel gating metoden antogs i studien med fälteffekt transistor struktur med grafen (2D hexagonalt gitter) stödd av smält kiseldioxid. Enhetens struktur mätte de linjära och olinjära optiska svaren av grafen vid rumstemperatur och övervakade den kemiska potentialen (Ef) kontra grindspänningen (Vg) in situ. Kreditera: Naturfotonik , doi:10.1038/s41566-018-0175-7
Forskningsfokuset på 2D-material har intensifierats med dess potential att modulera ljus för överlägsen prestanda och förverkliga tillämpningar som kan förbättra befintlig teknik. grafen, det mest kända 2D-materialet, härledd från 3-D grafit, utgör ett monolager av kolatomer arrangerade i ett 2D hexagonalt gitter, uppvisar starka ultrabredbandsljus-materia-interaktioner, kan arbeta inom ett extremt brett spektralområde, lämpad för nästa generations fotonik och optoelektroniska enheter. De unika elektroniska egenskaperna hos grafen kommer från Dirac-koner, funktioner i elektroniska bandstrukturer som är värd för laddningsbärare med noll effektiv massa, så kallade masslösa Dirac-fermioner som förekommer i 2D-material. Materialforskare befinner sig för närvarande i ett experimentellt barndomsstadium för att inse många intressanta egenskaper hos de olinjära optiska svaren hos grafen, för att stödja dess löfte att störa befintlig teknik och underlätta omfattande tillämpningar.
Födelsen av olinjär optik tillskrivs ett experiment som utfördes 1961 av Peter Franken och medarbetare med en pulsad rubinlaser, där de observerade den olinjära effekten av generering av andra övertoner (SHG, frekvensfördubbling) för första gången. Dynamisk kontroll av optiska olinjäriteter är för närvarande begränsad till forskningslaboratorier som ett spektroskopiskt verktyg.
Skriver nu in Naturfotonik , Tao Jiang et al. rapportera att ickelinjär generation av tredje övertoner (THG, frekvenstrippel) kan ställas in allmänt i grafen med hjälp av en elektrisk grindspänning. Detta har många potentiella applikationer – gate-tunerbar, olinjära optiska mekanismer av grafen och andra 2-D grafenliknande material är önskvärda för att konstruera framtida on-chip fotoniska och optoelektroniska applikationer med extremt hög hastighet och komplementär metalloxidhalvledare (CMOS) kompatibilitet för enhetstillverkning. Elektriskt avstämbar generering av andra övertoner rapporterades tidigare i andra 2D-material, såsom volframdiselenid (WSe 2 ) med excitoner, även om den spektrala bandbredden var begränsad. Experimentellt, justering av ingångsfrekvenserna eller den kemiska potentialen (E f ) av grafen kan ge detaljerad information om tredje ordningens olinjära optiska respons, hittills föreslagit i teorin.
Icke-linjära processer av tredje ordningen är också kända som fyrvågsblandning, eftersom de blandar tre fält för att producera ett fjärde. De senaste resultaten från Jiang et al. härrör från förmågan att justera den kemiska potentialen (E f ) av grafen och elektriskt slå på eller av enstaka foton- och multifotonresonansövergångar med jon-gel-gating (även känd som gate-controlled doping), för en given uppsättning ingångsfrekvenser. De experimentella resultaten överensstämde väl med teoretiska beräkningar för att ge en stabil grund för att förstå tredje ordningens icke-linjära optiska processer i grafen och grafenliknande Dirac-material.
Driftsbandbredden för gate avstämbar THG varierade från ~ 1300 nm till 1650 nm, täcker det vanligaste spektralområdet för optisk fibertelekommunikation vid 1550 nm. En sådan bred operationsbandbredd resulterade från energifördelningen av grafen Dirac-fermioner. Observationen liknar en parallell utredning publicerad i Naturens nanoteknik att elektriskt styra THG-effektiviteten (THGE) för grafen, likaledes tillskrivas masslösa Dirac-fermioner. Övergripande, de experimentellt observerade bredbandsgrind-avstämbara optiska olinjäriteterna av grafen erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att bygga elektriskt avstämbara olinjära optiska enheter i praktiken.
Schematisk representation av multifotoneffekterna i grafen Dirac-fermioner:ökningen av kemisk potential |Ef| kan framgångsrikt stänga av en-foton (|Ef|> 1/2ħω0), två-foton (|Ef|> ħω0), och tre-foton (|Ef |> 3/2ħω0) mellanbandsövergångar genom Pauli-blockering. Tvåfotons mellanbandsövergångar bidrar positivt till tredje ordningens olinjär optisk susceptibilitet [χ(3)], medan en- och trefotoninterbandsövergångar bidrar negativt. Röda pilar indikerar ingångsfotonerna vid ω0-frekvensen och de blå pilarna indikerar de genererade tredje övertonsfotonerna vid 3ω0-frekvensen. ħ, reducerad Planck-konstant. Kreditera: Naturfotonik , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
Befintliga elektroniska sammankopplingar (kopparkablar) till exempel, drabbas av bandbreddsförlust på grund av prestandabegränsningar, hindrar accelererad informationsbehandling som krävs för mediastreaming, cloud computing och internet of things (IoT). Det finns ett växande behov av att reglera ljus och utveckla kompakta, kostnadseffektiv, högpresterande optiska sammankopplingar för högre bandbredd och lägre förlust.
Framtida forskningsinsatser kommer sannolikt att förstärka de observerade effekterna genom att använda en mängd olika tillvägagångssätt, inklusive vågledare/fiberintegration och optiska resonatorer. Dessutom, olika polaritoner och fotoniska metamaterial kan ge lokaliserad förbättring och manipulation av optiska olinjäriteter i 2-D-material för att skapa ytplasmoner och tackla de förutsedda utmaningarna med icke-linjär nanofotonik och utveckling av nanofysikenheter, med avancerade optiska lösningar.
Metoder för att förbättra och manipulera icke-linjära optiska svar i 2D-material:a) fotonisk kristallkavitet, b) mikrodiskresonator, c) elektriskt avstämbar mikroringresonator, d) plasmonisk struktur. Röda pilar =ingångsfotoner, blå och gröna pilar =fotoner som genereras vid olika frekvenser. Kreditera: Naturfotonik , doi:10.1038/s41566-018-0201-9.
Kunskapen kan utvidgas till andra olinjära optiska processer i grafen, inklusive generering av övertoner av hög ordning. Den befintliga tekniken med traditionella bulkkristaller har nått en teknisk gräns för att förverkliga de tänkta optoelektroniska applikationerna, på grund av deras relativt lilla olinjära optiska känslighet och den komplexa och dyra, tillverknings- och integrationsmetoder. Den påvisade icke-linjära optiska interaktionsförbättringen i 2D-material bör helst utvecklas tillsammans med storskalig och högkvalitativ 2D-materialproduktion, för att möjliggöra helt andra tillvägagångssätt för elektriskt inställbar nanoenhetskonstruktion. Sådana nanoenheter kan underlätta de föreslagna framstegen inom metrologi, avkänning, bildbehandling, kvantteknik och telekommunikation.
© 2018 Phys.org
