Óptica no lineal, un estudio de cómo la luz interactúa con la materia, es fundamental para muchas aplicaciones fotónicas, desde los punteros láser verdes con los que todos estamos familiarizados hasta las fuentes de luz intensa de banda ancha (blanca) para fotónica cuántica que permiten la computación cuántica óptica, imágenes de superresolución, detección óptica y alcance, y más. A través de óptica no lineal, los investigadores están descubriendo nuevas formas de utilizar la luz, de tener una mirada más cercana a los procesos ultrarrápidos en física, biología, y química para mejorar la comunicación y la navegación, cosecha de energía solar, pruebas medicas, y ciberseguridad.

Los investigadores de Columbia Engineering informan que desarrollaron un nuevo Una forma eficiente de modular y mejorar un tipo importante de proceso óptico no lineal:generación óptica de segundo armónico, donde dos fotones de entrada se combinan en el material para producir un fotón con el doble de energía, desde nitruro de boro hexagonal a través de rotación micromecánica y apilamiento multicapa. El estudio fue publicado en línea el 3 de marzo por Avances de la ciencia .

"Nuestro trabajo es el primero en explotar la simetría sintonizable dinámicamente de materiales 2-D para aplicaciones ópticas no lineales, "dijo James Schuck, profesor asociado de ingeniería mecánica, quien dirigió el estudio junto con James Hone, Profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica.

Un tema candente en el campo de los materiales 2-D ha sido explorar cómo la torsión o rotación de una capa en relación con otra puede cambiar las propiedades electrónicas del sistema de capas, algo que no se puede hacer en cristales 3-D porque los átomos están enlazados. tan estrechamente juntos en una red 3-D. Resolver este desafío ha dado lugar a una nueva área de investigación denominada "twistronics". En este nuevo estudio, el equipo utilizó conceptos de twistronics para demostrar que también se aplican a las propiedades ópticas.

"Llamamos a esta nueva área de investigación 'twistoptics, '", dijo Schuck." Nuestro enfoque twistoptics demuestra que ahora podemos lograr respuestas ópticas no lineales gigantes en volúmenes muy pequeños, solo unos pocos espesores de capa atómica, lo que permite, por ejemplo, generación de fotones entrelazados con una mucho más compacta, huella compatible con chip. Es más, la respuesta es totalmente sintonizable a pedido ".

La mayoría de los cristales ópticos no lineales convencionales de hoy en día están hechos de materiales unidos covalentemente, tales como niobato de litio y borato de bario. Pero debido a que tienen estructuras de cristal rígidas, es difícil diseñar y controlar sus propiedades ópticas no lineales. Para la mayoría de las aplicaciones, aunque, cierto grado de control sobre las propiedades ópticas no lineales de un material es esencial.

El grupo descubrió que los cristales multicapa de van der Waals proporcionan una solución alternativa para la ingeniería de la no linealidad óptica. Gracias a la fuerza entre capas extremadamente débil, los investigadores pudieron manipular fácilmente la orientación relativa del cristal entre capas vecinas mediante rotación micromecánica. Con la capacidad de controlar la simetría en el límite de la capa atómica, demostraron una afinación precisa y una mejora gigante de la segunda generación de armónicos ópticos con dispositivos de micro-rotadores y estructuras de superrejilla, respectivamente. Para las superredes, el equipo utilizó por primera vez la rotación de capas para crear interfaces "retorcidas" entre capas que producen una respuesta óptica no lineal extremadamente fuerte, y luego apiló varias de estas interfaces "retorcidas" una encima de la otra.

"Demostramos que la señal óptica no lineal en realidad se escala con el cuadrado del número de interfaces trenzadas, "dijo Kaiyuan Yao, becario de investigación postdoctoral en el laboratorio de Schuck y coautor principal del artículo. "Así que esto hace que la respuesta no lineal ya grande de una sola interfaz de órdenes de magnitud sea aún más fuerte".

Los hallazgos del grupo tienen varias aplicaciones potenciales. La generación de segundos armónicos sintonizables de los micro-rotadores podría conducir a nuevos transductores en chip que acoplan el movimiento micromecánico a señales ópticas sensibles al convertir el movimiento mecánico en luz. Esto es fundamental para muchos sensores y dispositivos, como los microscopios de fuerza atómica.

Apilar múltiples películas delgadas de nitruro de boro una encima de la otra con un ángulo de torsión controlado demostró una respuesta no lineal muy mejorada. Esto podría ofrecer una nueva forma de fabricar cristales ópticos no lineales eficientes con precisión atómica. Estos podrían usarse en una amplia gama de láser (como los punteros láser verdes), espectroscopia óptica, imagen y sistemas de metrología. Y quizás lo más significativo, podrían proporcionar un medio compacto para generar fotones entrelazados y fotones individuales para el procesamiento y la computación de información cuántica óptica de próxima generación.

Este trabajo fue una colaboración realizada en el Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials en Columbia, con colaboradores teóricos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia. La fabricación del dispositivo se realizó parcialmente en la sala blanca de la iniciativa Columbia Nano.

"Esperamos, "Schuck dijo, "que esta demostración proporciona un nuevo giro en la narrativa en curso dirigida a aprovechar y controlar las propiedades de los materiales".