Polarisering, synkroniserad. På makrot, vardagsnivå, det läses som en oxymoron. Till University of Nebraska–Lincolns Xia Hong och hennes andra nanoforskare, fastän, den skenbara motsägelsen ger ett slags harmonisk mening. Och det kan bara stimulera utvecklingen av mindre, mer mångsidiga optiska filter som är särskilt skickliga på att leka med ljusets trick.

Det tricket uppstår när två paket, eller fotoner, ljus träffar ett material och skjuter ut en annan foton – en med dubbel energi och halva våglängden – från materialet. Eftersom våglängder skiljer sig över det elektromagnetiska spektrumet, fenomenet kan omvandla inkommande infraröda vågor till vågor av blått ljus, till exempel, eller det synliga ljuset till ultraviolett ljus.

Men inte vilket material som helst kan göra susen, känd som andra harmoniska generationen. Ett material som kan:ett atomtunt lager av molybdendisulfid. Hong har ägnat flera år åt att utforska de fenomen som uppstår genom att para molybdendisulfid med så kallade ferroelektriska material, vars inriktning av positiva och negativa laddningar kommer att vända när de utsätts för ett elektriskt fält.

Förra året, hon och hennes kollegor studerade hur det optiska beteendet hos enskikts molybdendisulfid reagerade när den placerades ovanpå ett ferroelektriskt material som kallas blyzirkonattitanat, eller PZT.

"Vi förväntade oss inte mycket, sa Hong, docent i fysik och astronomi, "men vi såg detta mycket, mycket konstig effekt."

Istället för att observera generering av andra övertoner enhetligt över ytan, teamet märkte att vissa segment förstärkte fenomenet även om andra dämpade det. Forskarna insåg också att det oväntade mönstret dök upp vid PZT:s domänväggar, där en sektion med positiv polarisation - uppåtriktade positiva laddningar separerade från nedåtriktade negativa laddningar - mötte en sektion med negativ polarisation. Inte bara det:Intensiteten hos den reflekterade generationen av andra övertoner alternerad av vägg, så att den första, tredje och femte väggen förstärkte den medan den andra, fjärde och sjätte dämpade det.

Med tanke på att mönstret saknades i båda materialet enbart, forskarna ansåg att det måste härröra från någon interaktion mellan de två. Vid närmare påseende, de upptäckte att virvelliknande virvlar av de positiva och negativa laddningarna på toppen av PZT-väggarna – liknande den tornadiska rotationen som kan uppstå när varm och sval luft konvergerar – bidrog till effekten.

När den rotationen matchade polarisationen av den överliggande molybdendisulfiden, så att den förra virvlade medurs när den senare var justerad från vänster till höger, eller tvärtom, den reflekterade andra övertonssignalen nästan fyrdubblades i intensitet. När dessa polariseringar stred mot varandra, den reflekterade signalen försvann praktiskt taget.

Polariseringen av det inkommande ljuset spelade roll, för. Ett elektriskt fält som omger en stråle av opolariserat ljus, som den som kommer från solen, kommer på måfå sticka ut i alla riktningar. Det elektriska fältet av polariserat ljus, däremot kommer att hålla sig till ett plan — vertikalt, horisontellt – eller rotera runt strålen på ett förutsägbart sätt, cykliskt sätt. Även om inkommande ljus som var polariserat i vissa vinklar producerade ett tydligt andra-harmoniskt mönster vid reflektion, signalerna försvann när teamet justerade ljusets polarisering till andra vinklar.

När det gäller våglängderna som passerade genom nanostrukturen, snarare än att reflektera från det? Teamet hittade ett intensifierings-reducerande mönster för de, för. Istället för att bero på matchningen eller oöverensstämmelsen mellan polariseringen mellan materialen, fastän, den andra övertonsgenerationen svarade enbart på polariseringen av PZT-plåstren. När ljuset polariserades i vissa vinklar, PZT-plåstren med positiv polarisation ökade signalen, medan de negativt polariserade fläckarna dämpade det. Och att justera ljusets polarisering kan vända den relativa styrkan hos dessa signaler.

Hong sa att nanostrukturens känslighet för polariserat ljus, kombinerat med förmågan att vända PZT:s polarisering antingen elektriskt eller mekaniskt, skapar något ovanligt:​​ett optiskt filter som kan programmeras och omprogrammeras på några sekunder.

"Det är nanoskala, och det kan kontrolleras, " sa Hong. "Så man kan säga att det här är ett smartare sätt att filtrera, eftersom du kan konfigurera om det. Det är ingen klar affär. Jag kan skriva polariseringen så här, Jag kan radera det, (då) kan jag skriva det på ett annat sätt.

"Jag tror att nyckeln egentligen är att det är en väldigt enkel teknik."

Teknikens mångsidighet kan visa sig användbar för att snabbt karakterisera material eller ämnen, Hong sa, speciellt de egenskaper som påverkar genereringen av andra övertoner eller dikterar reaktioner på ljusets polarisering. Även om tekniken inte är riktigt lämpad för rutinen, tillämpningar av polariserad filtrering på makronivå — "Detta är helt klart inte något att göra dina polariserade glasögon med, " sa hon - Hong funderade över en relaterad möjlighet.

"Om du ville göra en 3D-film i mikroskala, " vågade hon med ett leende, "det här är förmodligen sättet att göra det."

Hong och hennes kollegor rapporterade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .