Fig. 1. Diagrama esquemático del esquema de BIC dual para potenciar SHG con monocapa WS2 encima de la losa de rejilla fotónica. Crédito:Compuscript Ltd
Se pueden fusionar dos fotones para generar un fotón con frecuencia duplicada en materiales ópticos no lineales. Este proceso se conoce como generación de segundo armónico (SHG), que se descubrió por primera vez en la década de 1960, inmediatamente después de la invención del láser. Desde entonces, el desarrollo de SHG ha dado lugar a muchas aplicaciones en tecnologías avanzadas, como fuentes de luz en chip, imágenes, detección y comunicaciones. Por ejemplo, los dispositivos de imágenes basados en SHG, que capturan la luz del infrarrojo cercano (NIR) y emiten luz en el rango visible, son fundamentales para el desarrollo de nuevas tecnologías de imágenes NIR totalmente ópticas, como la visión nocturna.
Si bien se han demostrado muchas aplicaciones en óptica no lineal a través de materiales a granel tradicionales, los materiales 2D emergentes recientemente ofrecen oportunidades sin precedentes en el campo de la óptica no lineal. Por ejemplo, cuando los cristales de dicalcogenuros de metales de transición (TMD) se diluyen para formar una monocapa, muestran una banda prohibida directa, una fuerte luminiscencia, excitones estables a temperatura ambiente y una fuerte no linealidad de segundo orden. Estas propiedades ópticas únicas hacen que las monocapas de TMD sean una plataforma atractiva para explorar nuevos efectos ópticos lineales y no lineales y sus aplicaciones relacionadas. Sin embargo, debido a la duración de la interacción a escala atómica con la luz, una única monocapa de TMD emite una señal SHG extremadamente baja, lo que dificulta significativamente el desarrollo de metadispositivos prácticos no lineales basados en materiales 2D.
En los últimos años, los nanorresonadores dieléctricos de alto índice de refracción se han convertido en una plataforma prometedora para mejorar los SHG. Además, se ha demostrado que la baja eficiencia de SHG de los materiales 2D se puede abordar aumentando la fuerza del campo de luz dentro de tales resonadores dieléctricos. Exhiben pérdidas ópticas insignificantes en longitudes de onda visibles y NIR en comparación con sus contrapartes plasmónicas. Entre las diversas características de los nanorresonadores dieléctricos, su capacidad para exhibir un fuerte confinamiento del campo de luz, el llamado estado ligado en el continuo (BIC), se ha introducido como una característica única en los nanoresonadores dieléctricos. La frecuencia propia de BIC, que se encuentra en el espectro continuo, ha surgido como un enfoque prometedor para mejorar SHG en materiales 2D.
Fig. 2. Coeficiente de superposición espacial y eficiencia SHG con un WS2 homogéneo (a-b) y un WS2 estampado (c-d) encima de la losa de rejilla fotónica, respectivamente. (a) y (c):El coeficiente de superposición espacial dependiente de Kx. (b) y (d):la eficiencia SHG dependiente de Kx monitoreada en el lado reflejado (superior) y transmitido (inferior), respectivamente. La estrella azul en (b) y (d) es un punto de referencia para mostrar la eficiencia de SHG con una monocapa de WS2 independiente y con WS2 homogéneo encima de la rejilla, respectivamente. La onda fundamental incide desde el lado superior de la rejilla y la intensidad se establece en 0,1 GW/cm 2 . Crédito:Compuscript Ltd
Recientemente, un equipo internacional que involucró a la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China y la Universidad de Nottingham Trent ha propuesto un esquema de BIC dual con las ondas fundamental y del segundo armónico en resonancia simultáneamente para aumentar la eficiencia de conversión de SHG de la monocapa de TMD. Como se muestra en la Fig. 1, el par de BIC son modos de cavidad dentro de una losa de rejilla GaP cuidadosamente diseñada. Al transferir la monocapa de TMD a la losa de BIC, la señal SHG de la monocapa de TMD se puede amplificar en gran medida debido al proceso de resonancia de BIC dual. En otras palabras, el campo eléctrico de la luz fundamental se puede mejorar significativamente al excitar el primer BIC y, mientras tanto, la excitación del segundo BIC en la longitud de onda armónica aumentará aún más la emisión no lineal.
El principal desafío en este estudio fue la coincidencia de modo espacial dentro de la monocapa TMD entre la onda fundamental resonante BIC y la segunda armónica. Los investigadores han demostrado que inclinar ligeramente el ángulo de incidencia de la onda fundamental puede mejorar en gran medida la coincidencia de modos espaciales dentro de la monocapa de TMD, lo que da lugar a una mejora de cuatro órdenes de magnitud de la eficiencia de SHG, en comparación con una única monocapa de TMD [ver higos. 2(a)–(b)]. Además, al explorar la naturaleza 2D de la monocapa de TMD, los investigadores han demostrado que el patrón de la monocapa de TMD puede optimizar la coincidencia de modo espacial. Esto impulsará aún más el proceso SHG de la monocapa de TMD y amplificará la señal SHG hasta siete órdenes de magnitud, como se muestra en las Figs. 2(c)–(d).
Estos resultados, publicados en Opto-Electronic Advances , ofrecen nuevas posibilidades para mejorar SHG en aplicaciones prácticas con monocapas TMD, lo que demuestra nuevas oportunidades para la óptica no lineal con materiales atómicos 2D delgados, incluido un nuevo tipo de fuentes de luz, tecnología de visión nocturna totalmente óptica basada en conversión de frecuencia. Una estrategia para modular directamente la susceptibilidad óptica de segundo orden del ditelururo de molibdeno monocapa
