Esquema para ajustar la puerta del potencial químico:el método de puerta de gel de iones se adoptó en el estudio utilizando la estructura del transistor de efecto de campo con grafeno (red hexagonal 2D) soportada por sílice fundida. La estructura del dispositivo midió las respuestas ópticas lineales y no lineales del grafeno a temperatura ambiente y monitoreó el potencial químico (Ef) versus el voltaje de la puerta (Vg) in situ. Crédito: Fotónica de la naturaleza , doi:10.1038 / s41566-018-0175-7
El enfoque de la investigación en materiales 2-D se ha intensificado con su potencial para modular la luz para un rendimiento superior y realizar aplicaciones que pueden mejorar las tecnologías existentes. Grafeno el material 2-D más conocido, derivado del grafito 3-D, constituye una monocapa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal bidimensional, exhibiendo fuertes interacciones luz-materia de banda ultra ancha, capaz de operar en un rango espectral extremadamente amplio, adecuado para dispositivos fotónicos y optoelectrónicos de próxima generación. Las propiedades electrónicas únicas del grafeno se originan en los conos de Dirac, características en estructuras de bandas electrónicas que albergan portadores de carga de masa efectiva cero, los llamados fermiones de Dirac sin masa que ocurren en materiales 2-D. Los científicos de materiales se encuentran actualmente en una etapa de infancia experimental para darse cuenta de muchas propiedades interesantes de las respuestas ópticas no lineales del grafeno. para contribuir a su promesa de alterar la tecnología existente y facilitar una amplia gama de aplicaciones.
El nacimiento de la óptica no lineal se atribuye a un experimento realizado en 1961 por Peter Franken y sus colaboradores con un láser de rubí pulsado. en el que observaron el efecto no lineal de la segunda generación armónica (SHG, duplicación de frecuencia) por primera vez. El control dinámico de las no linealidades ópticas permanece confinado a los laboratorios de investigación como herramienta espectroscópica en la actualidad.
Ahora escribiendo en Fotónica de la naturaleza , Tao Jiang y col. informan que la generación de tercer armónico no lineal (THG, triplicación de frecuencia) se pueden sintonizar ampliamente en grafeno utilizando un voltaje de puerta eléctrica. Esto tiene muchas aplicaciones potenciales:sintonizable por puerta, Los mecanismos ópticos no lineales de grafeno y otros materiales 2-D similares al grafeno son deseables para diseñar futuras aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas en chip con compatibilidad de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) de velocidad extremadamente alta para la fabricación de dispositivos. La generación de segundo armónico eléctricamente sintonizable se informó anteriormente en otros materiales 2-D, como diselenuro de tungsteno (WSe 2 ) con excitones, aunque el ancho de banda espectral era limitado. Experimentalmente, sintonizando las frecuencias de entrada o el potencial químico (E F ) de grafeno puede proporcionar información detallada sobre la respuesta óptica no lineal de tercer orden, sugerido hasta ahora en teoría.
Los procesos no lineales de tercer orden también se conocen como mezcla de cuatro ondas, ya que mezclan tres campos para producir un cuarto. Los últimos resultados de Jiang et al. se originan en la capacidad de ajustar el potencial químico (E F ) de grafeno y enciende o apaga eléctricamente las transiciones resonantes de fotón único y multifotón con activación de gel de iones (también conocida como dopaje controlado por puerta), para un conjunto dado de frecuencias de entrada. Los resultados experimentales coincidieron bien con los cálculos teóricos para proporcionar una base firme para comprender los procesos ópticos no lineales de tercer orden en grafeno y materiales Dirac similares al grafeno.
El ancho de banda de operación del THG sintonizable en la puerta osciló entre ~ 1300 nm y 1650 nm, cubriendo el rango espectral más común para telecomunicaciones de fibra óptica a 1550 nm. Un ancho de banda de operación tan amplio resultó de la distribución de energía de los fermiones de grafeno Dirac. La observación es similar a una investigación paralela publicada en Nanotecnología de la naturaleza para controlar eléctricamente la eficiencia THG (THGE) del grafeno, igualmente atribuido a los fermiones de Dirac sin masa. En general, Las no linealidades ópticas sintonizables de puerta de banda ancha observadas experimentalmente del grafeno ofrecen un nuevo enfoque para construir dispositivos ópticos no lineales sintonizables eléctricamente en la práctica.
Representación esquemática de los efectos multifotónicos en los fermiones de Dirac del grafeno:el aumento del potencial químico | Ef | puede apagar con éxito un fotón (| Ef |> 1 / 2ħω0), dos fotones (| Ef |> ħω0), y transiciones entre bandas de tres fotones (| Ef |> 3 / 2ħω0) mediante bloqueo de Pauli. Las transiciones entre bandas de dos fotones contribuyen positivamente a la susceptibilidad óptica no lineal de tercer orden [χ (3)], mientras que las transiciones entre bandas de uno y tres fotones contribuyen negativamente. Las flechas rojas indican los fotones de entrada a una frecuencia ω0 y las flechas azules indican los fotones del tercer armónico generados a una frecuencia 3ω0. ħ, constante de Planck reducida. Crédito: Fotónica de la naturaleza , doi:10.1038 / s41566-018-0201-9.
Interconexiones electrónicas existentes (cables de cobre), por ejemplo, sufren pérdida de ancho de banda debido a restricciones de rendimiento, Impedir el procesamiento acelerado de la información necesaria para la transmisión de medios, computación en la nube e Internet de las cosas (IoT). Existe una necesidad creciente de regular la luz y desarrollar compactos, económico, interconexiones ópticas de alto rendimiento para mayor ancho de banda y menor pérdida.
Es probable que los esfuerzos de investigación futuros mejoren los efectos observados utilizando una variedad de enfoques que incluyen la integración de guía de ondas / fibra y resonadores ópticos. Además, varios polaritones y metamateriales fotónicos pueden proporcionar una mejora localizada y manipulación de no linealidades ópticas en materiales 2-D para crear plasmones de superficie y abordar los desafíos previstos del desarrollo de dispositivos nanofotónicos y nanofísicos no lineales, con soluciones ópticas avanzadas.
Métodos para mejorar y manipular respuestas ópticas no lineales en materiales 2D:a) cavidad de cristal fotónico, b) resonador de microdiscos, c) resonador microring eléctricamente sintonizable, d) estructura plasmónica. Flechas rojas =fotones de entrada, flechas azules y verdes =fotones generados a diferentes frecuencias. Crédito: Fotónica de la naturaleza , doi:10.1038 / s41566-018-0201-9.
El conocimiento se puede extender a otros procesos ópticos no lineales en grafeno, incluida la generación de armónicos de alto orden. La tecnología existente con cristales a granel tradicionales ha alcanzado un límite técnico para realizar las aplicaciones optoelectrónicas previstas, debido a su susceptibilidad óptica no lineal relativamente pequeña y al complejo y costoso, métodos de fabricación e integración. La mejora demostrada de interacción óptica no lineal en materiales 2-D idealmente debería desarrollarse junto con la producción de material 2-D a gran escala y de alta calidad. para permitir enfoques completamente diferentes para la construcción de nanodispositivos eléctricamente sintonizables. Estos nanodispositivos pueden facilitar los avances propuestos en metrología, sintiendo imagen tecnología cuántica y telecomunicaciones.
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