Los investigadores de Georgia Tech, Kyu-Tae Lee y Mohammad Taghinejad, demuestran la duplicación de la frecuencia en una losa de dióxido de titanio utilizando un láser rojo para crear efectos no lineales con pequeños triángulos de oro. El rayo azul muestra la luz de frecuencia duplicada y el rayo verde controla la migración de electrones calientes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Los investigadores han demostrado una nueva técnica totalmente óptica para crear efectos no lineales robustos de segundo orden en materiales que normalmente no los soportan. Usando un pulso de láser disparado a una matriz de triángulos de oro en un dióxido de titanio (TiO 2 ) losa, Los investigadores crearon electrones excitados que duplicaron brevemente la frecuencia de un rayo de un segundo láser al rebotar en el TiO amorfo. 2 losa.
Al ampliar la gama de materiales ópticos útiles para aplicaciones optoelectrónicas a micro y nanoescala, el trabajo podría brindar a los ingenieros ópticos nuevas opciones para crear efectos no lineales de segundo orden, que son importantes en áreas como las computadoras ópticas, Procesadores de datos de alta velocidad y bioimagen seguros para su uso en el cuerpo humano.
"Ahora que podemos romper ópticamente la simetría cristalina de materiales tradicionalmente lineales como el dióxido de titanio amorfo, se puede adoptar una gama mucho más amplia de materiales ópticos en la corriente principal de aplicaciones de micro y nanotecnología, como los procesadores de datos ópticos de alta velocidad, "dijo Wenshan Cai, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia.
Los hallazgos de la prueba de concepto se publicaron el 2 de enero en la revista. Cartas de revisión física . La investigación recibió el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
La mayoría de los materiales ópticos tienden a tener una estructura cristalina simétrica que limita su capacidad para crear efectos no lineales de segundo orden, como la duplicación de frecuencia, que tienen importantes aplicaciones tecnológicas. Hasta ahora, esta simetría solo podría interrumpirse aplicando señales eléctricas o tensión mecánica al cristal.
Un láser rojo crea efectos no lineales con pequeños triángulos de oro. El rayo azul muestra la luz de frecuencia duplicada y el rayo verde controla la migración de electrones calientes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
En el laboratorio, Cai y colaboradores Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee y Tianquan Lian crearon una serie de pequeños triángulos plasmónicos de oro en la superficie de un TiO centrosimétrico. 2 losa. Luego iluminaron la estructura de TiO2 / oro con un pulso de luz láser roja, que actuó como un interruptor óptico para romper la simetría cristalina del material. El amorfo TiO 2 la losa no soportaría naturalmente fuertes efectos no lineales de segundo orden.
"El interruptor óptico excita electrones de alta energía dentro de los triángulos dorados, y algunos de los electrones migran al dióxido de titanio de las puntas de los triángulos, "Explicó Cai." Desde la migración de electrones al TiO 2 losa ocurre principalmente en las puntas de los triángulos, la migración de electrones es espacialmente un proceso asimétrico, rompiendo fugazmente la simetría del cristal de dióxido de titanio de forma óptica ".
El efecto de ruptura de simetría inducida se observa casi instantáneamente después de que se activa el pulso de láser rojo, duplicando la frecuencia de un segundo láser que luego rebota en el dióxido de titanio que contiene los electrones excitados. La vida útil de la no linealidad de segundo orden inducida generalmente depende de la rapidez con la que los electrones pueden migrar desde el dióxido de titanio a los triángulos de oro después de la desaparición del pulso. En el estudio de caso informado por los investigadores, el efecto no lineal inducido duró unos pocos picosegundos, lo que, según los investigadores, es suficiente para la mayoría de las aplicaciones en las que se utilizan pulsos cortos. Un láser de onda continua estable puede hacer que este efecto dure mientras el láser esté encendido.
"La fuerza de la respuesta no lineal inducida depende en gran medida de la cantidad de electrones que pueden migrar de los triángulos de oro a la placa de dióxido de titanio, "Añadió Cai." Podemos controlar el número de electrones migrados a través de la intensidad de la luz láser roja. El aumento de la intensidad del interruptor óptico genera más electrones dentro de los triángulos dorados, y por lo tanto envía más electrones al TiO 2 losa."
El diagrama muestra el proceso para romper la simetría de inversión mediante la transferencia de electrones calientes. Crédito:Georgia Tech
Se necesitará investigación adicional para construir sobre la prueba de concepto, que demostró por primera vez que la simetría cristalina de los materiales centrosimétricos se puede romper por medios ópticos, a través de migraciones asimétricas de electrones.
"Acercarse a los criterios prácticos detallados sobre la esencia de nuestra técnica, todavía necesitamos desarrollar pautas que nos digan qué combinación de plataforma de material de metal / semiconductor debe usarse, qué forma y dimensión maximizarían la fuerza del efecto no lineal de segundo orden inducido, y qué rango de longitud de onda láser debe usarse para la luz de conmutación, "Cai anotó.
La duplicación de frecuencia es solo una aplicación potencial de la técnica, él dijo.
"Creemos que nuestros hallazgos no solo brindan una variedad de oportunidades en el campo de la nanofotónica no lineal, pero también jugará un papel importante en el campo de la tunelización cuántica de electrones, "Cai agregó." De hecho, construido sobre el conocimiento acumulado en este campo, nuestro grupo está ideando nuevos paradigmas para emplear la técnica de ruptura de simetría introducida como una sonda óptica para monitorear el túnel cuántico de electrones en plataformas de material híbrido. Hoy en día, lograr este desafiante objetivo solo es posible con técnicas de microscopía de túnel de barrido (STM), los cuales son muy lentos y muestran bajo rendimiento y sensibilidad ".
