La forma en que la luz interactúa con los materiales naturales se comprende bien en la física y la ciencia de los materiales. Pero en las últimas décadas, los investigadores han fabricado metamateriales que interactúan con la luz de nuevas formas que van más allá de los límites físicos impuestos a los materiales naturales.
Un metamaterial está compuesto por conjuntos de "metaátomos", que han sido fabricados en estructuras deseables en la escala de aproximadamente cien nanómetros. La estructura de las matrices de metaátomos facilita interacciones precisas entre la luz y la materia. Sin embargo, el gran tamaño de los metaátomos en relación con los átomos normales, que son más pequeños que un nanómetro, ha limitado el rendimiento de los metamateriales para aplicaciones prácticas.
Ahora, un equipo de investigación colaborativo dirigido por Bo Zhen de la Universidad de Pensilvania ha revelado un nuevo enfoque que diseña directamente estructuras atómicas de material apilando matrices bidimensionales en formaciones espirales para aprovechar una nueva interacción entre la luz y la materia. Este enfoque permite que los metamateriales superen las limitaciones técnicas actuales y allana el camino para las tecnologías láser, de imágenes y cuánticas de próxima generación. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature Photonics. .
"Es similar a apilar una baraja de cartas, pero girando ligeramente cada carta antes de agregarlas a la pila", dice Zhen, autor principal del artículo y profesor asistente en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn. "Este giro cambia la forma en que toda la 'cubierta' responde a la luz, permitiéndole exhibir nuevas propiedades que las capas individuales o las pilas tradicionales no poseen".
Bumho Kim, investigador postdoctoral en el Laboratorio Zhen y primer autor del artículo, explica que al apilar capas de un material llamado disulfuro de tungsteno (WS2 ) y girándolos en ciertos ángulos, introdujeron lo que se conoce como simetrías de tornillo.
"La magia reside en controlar el giro", explica Kim. "Cuando giras las capas en ángulos específicos, cambias la simetría de la pila. La simetría, en este contexto, se refiere a cómo ciertas propiedades de los materiales, como la forma en que interactúan con la luz, están limitadas por su disposición espacial".
Al modificar esta disposición a escala atómica, los investigadores han alterado las reglas de lo que estos materiales pueden hacer y al controlar la torsión en múltiples capas de WS2 , crearon lo que se conoce como materiales ópticos no lineales 3D.
Kim explica que una sola capa de WS2 tiene simetrías particulares, que permiten ciertos tipos de interacciones con la luz, donde dos fotones de una frecuencia determinada pueden interactuar con el material para producir un nuevo fotón al doble de la frecuencia, un proceso conocido como generación de segundo armónico (SHG).
"Pero, cuando dos capas de WS2 "Se apilan con un ángulo de giro diferente del convencional 0° o 180°, todas las simetrías especulares que estaban presentes en la capa única se rompen", dice Kim. "Esta simetría especular rota es crucial porque conduce a una respuesta quiral, algo completamente nuevo y no se ve en las capas individuales."
Los investigadores explican que la respuesta quiral es significativa porque es un efecto cooperativo resultante del acoplamiento entre las funciones de onda electrónicas de las dos capas, un fenómeno que sólo puede surgir en interfaces retorcidas.
Una propiedad interesante, añade Zhen, es que el signo de la respuesta quiral no lineal cambia cuando se invierte el ángulo de giro. Esto demuestra un control directo sobre las propiedades no lineales simplemente cambiando el ángulo de torsión entre capas, un nivel de sintonizabilidad que podría ser revolucionario para diseñar materiales ópticos con respuestas personalizadas.
Pasando de bicapas a tricapas y más, los investigadores observaron cómo las respuestas interfaciales de SHG pueden interferir de manera constructiva o destructiva dependiendo de los ángulos de torsión entre las capas.
En una pila con capas en múltiplos de cuatro, "las respuestas quirales de todas las interfaces se suman, mientras que las respuestas en el plano se cancelan", dice Kim. "Esto conduce a un nuevo material que sólo presenta susceptibilidades quirales no lineales. Este resultado no podría lograrse sin el apilamiento y la torsión precisos de las capas".
Los investigadores descubrieron que la simetría de tornillo permite una nueva selectividad para el campo eléctrico de la luz en el material, una parte de la luz que determina su dirección e intensidad. Kim observa cómo descubrieron que la simetría de tornillo permite un nuevo tipo de generación de luz en espirales retorcidas de cuatro y ocho. pilas de capas, generación de tercer armónico polarizada contracircularmente, en la que la luz viaja en la dirección espiral opuesta, una cualidad que no se ve en el constituyente WS2 monocapas.
"Añadir una simetría de tornillo artificial nos permite controlar la selectividad circular óptica no lineal a nanoescala", afirma Kim.
Al probar esta técnica experimentalmente, los investigadores verificaron las no linealidades predichas inherentes a varias configuraciones de WS2 retorcido. pilas. El equipo observó nuevas respuestas no lineales y selectividad circular en WS2 retorcidos. pilas que no se pueden encontrar en WS2 de origen natural , una revelación que podría tener profundas implicaciones en el campo de la óptica no lineal.
Más información: Bumho Kim et al, Materiales ópticos no lineales tridimensionales a partir de interfaces bidimensionales retorcidas de van der Waals, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01318-6
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Pensilvania
