Kelebek kanatlarının yanardöner mavisi, araştırmacılara daha önce aşılmaz olarak kabul edilen bir zorluğa çözüm bulmaları için ilham verdi – gelişmiş optik süreçleri görünür dalga boylarında düzenli olarak ayarladı.
Sonuç, radikal yeni optik teknolojinin temelini oluşturabilen bir saç kalınlığının bir kısmı desenli bir malzeme tabakasıdır: teknolojinin uygulamaları, biyosensing ile çip üzerindeki hesaplama ve güvenli iletişim için biyosensing ile kuantum ışık motorlarına kadar çeşitlidir.
Araştırma şurada yayınlandı Bilim ilerlemeleri. İlk yazar, Dönüştürücü Meta-Optik Sistemler (TMOS) ve Bluglass Ltd için Arc Mükemmellik Merkezi’nden Dr. Mudassar Nauman’dır.
Bir öğrenci RSphys Elektronik Malzeme Mühendisliği Departmanı ve ANU Mühendislik Okulu’na ortaklaşa kaydolurken işi yapan Dr. Nauman, “Işık ve maddenin nasıl etkileşime girdiğini, bu da bir sorun almamızı ve çözümün bir parçası haline getirmemizi sağladık.” Dedi.
“İki süreci birbirine bağlayarak, çıkmaz olarak görülen şeyi çevirdik ve onu cam panellerden kontakt bir lense kadar her şeye inşa edilebilecek şekilde uyarlanabilir pratik bir gerçekliğe dönüştürdük.”
Araştırma, meta-yüzeylerle doğrusal olmayan optikleri, ışığın dalga boyundan daha küçük yapılarla desenli ince katmanlar, doğal malzemelerden çılgınca farklı malzeme özellikleri üreten ince katmanları etkinleştirmenin bir yolunu haritalar.
Daha da iyisi, doğrusal olmayan etkiler, giriş ışığının polarizasyonunu değiştirerek açılıp kapatılabilir ve malzemenin sıcaklığını değiştirerek ayarlanabilir.
Yeni cihazlarla mümkün olan doğrusal olmayan optik süreçler, gece görüş teknolojisi (kızılötesi ışığı görünür ışığa dönüştürme) veya kuantumla çevrili foton çiftleri üreten süreçlerde yararlı olan frekansların yukarı ve aşağı dönüştürülmesini mümkün kılar.
“Bu çalışmanın en heyecan verici yönü, bize hızlı, ayarlanabilir optik unsurların pratik olarak gerçekleştirilmesine bir adım daha yaklaştırmasıdır – görünmez olanı tam anlamıyla görünür hale getirebilecek teknolojiler” dedi.
Anu Anu Mühendislik Okulu’ndan ortak yazar Profesör Yuerui (Larry) Lu, “Bu atılım, ayarlanabilir doğrusal olmayan tepkilerle yeniden yapılandırılabilir optik cihazların yolunu açarak van der Waals malzemelerinin yeni nesil kuantum ve fotonik teknolojiler için benzersiz avantajlarından yararlanıyor.”
Verimli doğrusal olmayan işlemler, yüksek kırılma indisi ve güçlü optik niteliklere sahip malzemeler gerektirir.
Bu kriterlere dayanarak, bu proje göze çarpan bir malzeme sınıfına odaklandı: oksijen ailesinden (grup 16, kalkogenidler olarak bilinen grup) anyonlarla birleştirilmiş geçiş metallerinden yapılan kristaller.
Bu geçiş metali dikalkojenitler (TMDC’ler), tek kristal kalitesi ve geniş ve ayarlanabilir bant boşlukları nedeniyle güçlü yarı iletken özellikler sergiler. Ayrıca, eksitonların oluşumundan kaynaklanan son derece güçlü ışık maddesi etkileşimleri, bir elektron tarafından oluşturulan bir quasipartikül ve birbirine bağlanan bir delik açarlar.
TMDC’ler silikon çip teknolojisi ile sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir ve bu nedenle ucuz ve pratik ölçeklenebilirlik vaat edebilir.
Bununla birlikte, ortak 2H kristal formlarında (ayna katmanı kristalleri), TMDC’lerin görünüşte aşılmaz iki problemi vardır: birincisi, kızılötesi dalga boylarını kullanan telekomünikasyon için yararlı olmasına rağmen, TMDC’ler insan-varlık uygulamaları için gereken görünür ışığa opaktır, çünkü eksitonlar bu kadar güçlü bir şekilde emer.
İkincisi, kristal yapıları, doğrusal olmayan dönüşüm işlemlerinin yarısını baskılayan merkez noktası hakkında simetriktir: tek tek katlara sadece frekans dönüşümüne izin verir (üçlü, beşik, septuple frekansları vb.) – Kısa bir şekilde en basit ve genellikle en etkili süreç, frekans ikiye katlanması (ikinci harmonik nesil olarak da bilinir) çok zayıftır.
Diğer araştırmalar bu problemlerle başa çıkmaya çalıştı, ancak yapısal kırılganlık, emilim veya kriyojenik soğutma ihtiyacı ile ilgili problemler nedeniyle ortaya çıktı.
Bu meydan okumayı düşünürken Dr. Nauman, Morpho kelebek cinsinin kanatlarının parlak renklerinden ilham aldı.
Nauman, “Canlılığın sırrı zeki iki parçalı bir sistemdir. Şeffaf nanoyapılar mavi ışığı yansıtır ve karanlık bir melanin tabakası, başıboş ışığı emerek oturur.” Dedi.
“Siyah kadife üzerinde bir elmas gibi – koyu arka plan, elmasın ışıltısını daha parlak hale getiriyor.”
“Doğa bana en iyi sonuçların genellikle dolaylı çözümlerden geldiğini öğretti.”
Dr. Nauman’ın vurduğu dolaylı çözüm, emilim olmadan TMDC’ye geçebilen kızılöteye yakın bir dalga boyu pompa lazeri kullanmak ve bunu 1.220 nm-iki katında bir rezonans tasarlamak için Metasurface tasarımıyla eşleştirmekti.
Süreklilikte (QBIC) yarı bağlı bir durum olarak bilinen bir tipte bu rezonans, tamamen manyetik olacak şekilde tasarlanmıştır-radyasyon kayıplarına yol açacak herhangi bir elektrik dipol bileşeninden kaçınır. Bu, rezonansın yüksek bir Q’ya sahip olmasını sağladı-başka bir deyişle, pompa enerjisi verimli bir şekilde hapsedildi, bu da eksitonlarla frekansın iki katında (dalga boyunun yarısı, 610 nm) etkileşime girebileceği seviyeye kadar artmasına izin verdi ve normalde nezaket ikinci harmonik radyasyon üretebilir.
Exciton ve QBIC rezonansı arasındaki bu sanal etkileşim, cihazın performansının kalbidir ve eleştirel olarak, araştırmacıların talep üzerine kırabileceği veya geri yükleyebileceği bir bağlantıdır.
QBIC’leri desteklemek için gereken metasurface geometrisi, her biri ışığın dalga boyundan daha küçük olan hilal şeklindeki nano yapılardan oluşur. Mantezik olmayan bir materyalde böyle tamamen manyetik bir QBIC elde etmek nadirdir ve burada tek bir kristalin TMDC’de gerçekleştirilir.
Srescentlerin asimetrisi, metasurface’ye bir polarizasyon yanıtı verdi – pompa polarizasyonunu değiştirerek rezonansı ve dolayısıyla sanal eksiton bağlantısını değiştirir – doğrusal olmayan ışık yoğunluğunu modüle eder.
Malzeme suşu, elektrik alanı veya bu deneyde kullanıldığı gibi sıcaklık ile kaydırılabilen eksiton rezonansının ayarlanmasıyla daha dinamik kontrol uygulanabilir.
TMOS Direktörü Profesör Dragomir Neshev, “Eksitonların ayarlanabilirliğini, metamalzemenin doğrusal olmayan tepkisinin aşırı ayarlanabilirliğini sağlamak için kullanmak için dikkate değer bir fırsat.” Dedi.
Tungsten disülfür kullanan ilk deneyler prensibi başarıyla gösterdi ve görünür spektrumda tek tabakalı tungsten disülfür ve tüketilmemiş dökme film üzerinde dört büyüklük artışı üzerinde iki büyüklük artışı sağladı.
Sıcaklığı -100 santigrat derece ve 100 santigrat derece arasında değiştirmek, eksiton rezonansını yaklaşık 20 nm kaydırdı. Vardiya ayrıca sanal bağlantının gücünü değiştirdi, böylece doğrusal olmayan ışık yoğunluğunu modüle etti.
Seçkin Profesör Mohsen Rahmani’nin Birleşik Krallık’taki Nottingham Trent Üniversitesi’nden, ekip çalışmasının başarının anahtarı olduğunu söyledi.
“Dünyanın farklı köşelerinden farklı bir bilim adamı ekibinin insan bilgisini ilerletmek için sınırlar arasında nasıl işbirliği yapabileceğini görmek ilham verici” dedi.
Başarı, daha önce hiç elde edilmeyen verimliliklerde geniş bir görünür spektrumda ikinci harmonik nesil için TMDC’lerin kullanımının kilidini açar.
“Konvansiyonel bilgeliğe meydan okumak heyecan verici. Normalde eksitonların harmonik sinyali emilim yoluyla söndürmesini beklerdi. Burada tam tersini gösterdik-sadece büyük ölçüde gelişmiş bir ikinci harmonik nesil verimi elde etmedik, ancak daha da önemlisi, dinamik olarak ayarlamak için güçlü bir tutamak kazanıyoruz,” dedi ortak yazar, profesör Domenico de Ceglia, üniversiteden üniversiteden.
Dr. Nauman, bu malzemelerin zayıf yönlerinin başarılı bir şekilde tersine çevrilmesinden birçok faydanın akabileceğini söyledi.
“Bir TMDC’yi yüksek verimli bir doğrusal olmayan yayıcı haline getirdik. Daha da önemlisi, bu strateji evrenseldir-QBIC’ler toplu, birkaç katmanlı ve hatta tek tabakalı TMDC’lerde heyecanlanabilir, onları ayarlanabilir ve yüksek verimli doğrusal olmayan optikler için güçlü bir platform haline getirir.”
“Dinamik olarak ayarlanabildiğinden, bu yaklaşım bugün bilim kurgu gibi ses veren teknolojiler için kullanılabilir; örneğin, ışık etkileşiminin dinamik olarak, yeniden yapılandırılabilir ultra ince holografik AR/VR lensleri veya tamamen ışık tarafından kontrol edilen gizleme metaz Savaşları ayarlanabileceği nöral arayüzler.”
