Hur ljus interagerar med naturligt förekommande material är väl känt inom fysik och materialvetenskap. Men under de senaste decennierna har forskare tillverkat metamaterial som interagerar med ljus på nya sätt som går utöver de fysiska gränserna för naturligt förekommande material.

Ett metamaterial är sammansatt av arrayer av "metaatomer", som har tillverkats till önskvärda strukturer på en skala av cirka hundra nanometer. Strukturen av arrayer av metaatomer underlättar exakta ljus-materia-interaktioner. Den stora storleken på metaatomer i förhållande till vanliga atomer, som är mindre än en nanometer, har dock begränsat metamaterialens prestanda för praktiska tillämpningar.

Nu har ett samarbetande forskarlag under ledning av Bo Zhen från University of Pennsylvania avslöjat ett nytt tillvägagångssätt som direkt konstruerar atomära strukturer av material genom att stapla de tvådimensionella arrayerna i spiralformationer för att utnyttja ny interaktion mellan ljus och materia. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för metamaterial att övervinna de nuvarande tekniska begränsningarna och banar väg för nästa generations lasrar, bildbehandling och kvantteknik. Deras resultat publicerades i tidskriften Nature Photonics .

"Det liknar att stapla en kortlek men att vrida varje kort något innan du lägger det till högen", säger Zhen, en senior författare av tidningen och biträdande professor vid School of Arts &Sciences i Penn. "Denna vridning förändrar hur hela "däcket" reagerar på ljus, vilket gör att det kan uppvisa nya egenskaper som enskilda lager, eller traditionella stackar, inte har."

Bumho Kim, postdoktor vid Zhen Lab och första författare till artikeln, förklarar att genom att stapla lager av ett material som kallas volframdisulfid (WS₂ ) och vrida dem i vissa vinklar introducerade de vad som kallas skruvsymmetrier.

"Magin ligger i att kontrollera twisten," förklarar Kim. "När du vrider lagren i specifika vinklar ändrar du stapelns symmetri. Symmetri, i detta sammanhang, syftar på hur vissa egenskaper hos material - som hur de interagerar med ljus - begränsas av deras rumsliga arrangemang."

Genom att justera detta arrangemang på atomär skala har forskarna böjt reglerna för vad dessa material kan göra, och genom att kontrollera vridningen över flera lager av WS₂ , skapade de vad som kallas 3D olinjära optiska material.

Kim förklarar att ett enda lager av WS₂ har speciella symmetrier, som tillåter vissa typer av interaktioner med ljus, där två fotoner vid en given frekvens kan interagera med materialet för att producera en ny foton med dubbel frekvens, en process som kallas second-harmonic generation (SHG).

"Men när två lager av WS₂ är staplade med en vridningsvinkel som skiljer sig från den konventionella 0° eller 180°, är alla spegelsymmetrier som fanns i det enda lagret brutna", säger Kim. "Denna trasiga spegelsymmetri är avgörande eftersom det leder till ett kiralt svar – något helt ny och inte sett i de enskilda lagren."

Forskarna förklarar att det kirala svaret är signifikant eftersom det är en samverkanseffekt som är ett resultat av kopplingen mellan de elektroniska vågfunktionerna i de två lagren, ett fenomen som bara kan uppstå i vridna gränssnitt.

En intressant egenskap, tillägger Zhen, är att tecknet på det kirala olinjära svaret vänder när vridningsvinkeln vänds. Detta visar direkt kontroll över de olinjära egenskaperna genom att helt enkelt ändra vridningsvinkeln mellan lagren – en nivå av avstämning som kan vara revolutionerande för att designa optiska material med anpassade svar.

När forskarna flyttade från dubbellager till trelager och längre, observerade forskarna hur gränssnitts-SHG-svaren konstruktivt eller destruktivt kan störa beroende på vridningsvinklarna mellan lagren.

I en stack med lager i multipler av fyra, "lägger de chirala svaren från alla gränssnitt ihop, medan svaren i planet tar ut", säger Kim. "Detta leder till ett nytt material som endast uppvisar kirala olinjära mottagligheter. Detta resultat skulle inte kunna uppnås utan den exakta staplingen och vridningen av skikten."

Forskarna fann att skruvsymmetri möjliggör ny selektivitet för ljusets elektriska fält i materialet, en del av ljuset som bestämmer dess riktning och intensitet Kim noterar hur de fann att skruvsymmetri möjliggör en ny typ av ljusgenerering i vridna fyra- och åtta- lagerstaplar, motcirkulärt polariserad tredje övertonsgenerering, där ljus färdas i motsatt spiralriktning – en kvalitet som inte syns i beståndsdelen WS₂ monolager.

"Genom att lägga till en konstgjord skruvsymmetri kan vi kontrollera ickelinjär optisk cirkulär selektivitet på nanoskala", säger Kim.

Genom att testa denna teknik experimentellt verifierade forskarna de förutspådda olinjäriteterna som är inneboende i olika konfigurationer av vridna WS₂ staplar. Teamet observerade nya olinjära svar och cirkulär selektivitet i vridna WS₂ stackar som inte kan hittas i naturligt förekommande WS₂ , en uppenbarelse som kan ha djupgående implikationer inom området olinjär optik.

Mer information: Bumho Kim et al, Tredimensionella olinjära optiska material från vridna tvådimensionella van der Waals-gränssnitt, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01318-6

Journalinformation: Naturfotonik

Tillhandahålls av University of Pennsylvania