Elektrisch einstellbare dritte nichtlineare optische Antwort in Graphen

Anonim

Der Forschungsschwerpunkt auf 2-D-Materialien hat sich durch sein Potenzial zur Modulation von Licht für überlegene Leistung und zur Realisierung von Anwendungen, die bestehende Technologien verbessern können, intensiviert. Graphen, das bekannteste 2-D-Material, das aus 3-D-Graphit gewonnen wird, bildet eine Monoschicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem 2-D-hexagonalen Gitter angeordnet sind und starke Ultrabreitband-Licht-Materie-Wechselwirkungen aufweisen Bereich, geeignet für photonische und optoelektronische Geräte der nächsten Generation. Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Graphen stammen von Dirac-Kegeln, Eigenschaften in elektronischen Bandstrukturen, die Ladungsträger mit einer effektiven Masse von Null beherbergen, so genannte masselose Dirac-Fermionen, die in 2D-Materialien vorkommen. Die Materialwissenschaftler befinden sich derzeit in einem Stadium der experimentellen Kindheit, um viele interessante Eigenschaften der nichtlinearen optischen Reaktionen von Graphen zu realisieren, um das Versprechen zu erfüllen, bestehende Technologien zu zerstören und weitreichende Anwendungen zu ermöglichen.

Die Geburt der nichtlinearen Optik wird einem 1961 von Peter Franken und Mitarbeitern mit einem gepulsten Rubinlaser durchgeführten Experiment zugeschrieben, in dem erstmals der nichtlineare Effekt der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG, frequency doubling) beobachtet wurde. Die dynamische Kontrolle optischer Nichtlinearitäten bleibt derzeit als spektroskopisches Werkzeug auf Forschungslabors beschränkt.

Jetzt schreiben in Nature Photonics, Tao Jiang et al. berichten, dass nichtlineare Erzeugung der dritten Harmonischen (THG, Frequenzverdreifachung) in Graphen unter Verwendung einer elektrischen Gate-Spannung weitgehend abgestimmt werden kann. Dies hat viele potentielle Anwendungen - durch den Gate-Bereich abstimmbare, nichtlineare optische Mechanismen von Graphen und anderen graphenartigen 2-D-Materialien sind wünschenswert, um zukünftige photonische und optoelektronische Anwendungen auf dem Chip mit extrem hoher Geschwindigkeit und komplementärer Metalloxidhalbleiter (CMOS) -Kompatibilität zu entwickeln für die Herstellung von Geräten. Die elektrisch abstimmbare Erzeugung der zweiten Harmonischen wurde bereits in anderen 2-D-Materialien wie Wolframdiselenid (WSe 2) mit Exzitonen beschrieben, obwohl die spektrale Bandbreite begrenzt war. Experimentell kann das Abstimmen der Eingangsfrequenzen oder des chemischen Potentials (E f) von Graphen detaillierte Informationen über die nichtlineare optische Antwort dritter Ordnung liefern, die bisher in der Theorie vorgeschlagen wurde.

Nichtlineare Prozesse dritter Ordnung werden auch als Vierwellenmischung bezeichnet, da sie drei Felder mischen, um ein viertes zu erzeugen. Die neuesten Ergebnisse von Jiang et al. stammen aus der Fähigkeit, das chemische Potential (E f) von Graphen einzustellen und Ein- und Ausschalten von Einzelphotonen- und Multiphotonenresonanzübergängen mit Ionen-Gel-Gating (auch als Gate-gesteuerte Dotierung bezeichnet) für einen gegebenen Satz von Eingangsfrequenzen elektrisch ein- oder auszuschalten. Die experimentellen Ergebnisse stimmten gut mit theoretischen Berechnungen überein, um eine solide Grundlage für das Verständnis nichtlinearer optischer Prozesse dritter Ordnung in Graphen und Graphen-ähnlichen Dirac-Materialien zu liefern.

Die Betriebsbandbreite von Gate-abstimmbarem THG reichte von ~ 1300 nm bis 1650 nm und deckt den häufigsten Spektralbereich für optische Fasertelekommunikation bei 1550 nm ab. Solch eine breite Betriebsbandbreite resultierte aus der Energieverteilung der Graphen-Dirac-Fermionen. Die Beobachtung ähnelt einer Paralleluntersuchung, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, um die THG-Effizienz (THGE) von Graphen, die ebenfalls masselosen Dirac-Fermionen zugeschrieben wird, elektrisch zu kontrollieren. Insgesamt bieten die experimentell beobachteten, durch ein optisches Gitter steuerbaren optischen Nichtlinearitäten von Graphen einen neuen Ansatz zum Aufbau von elektrisch abstimmbaren nichtlinearen optischen Bauelementen in der Praxis.

Bestehende elektronische Verbindungen (Kupferkabel) erleiden beispielsweise einen Bandbreitenverlust aufgrund von Leistungseinschränkungen, was eine beschleunigte Informationsverarbeitung für Medienstreaming, Cloud Computing und das Internet der Dinge (IoT) behindert. Es besteht ein wachsender Bedarf, Licht zu regulieren und kompakte, kosteneffektive, hochleistungsfähige optische Verbindungen für eine höhere Bandbreite und geringere Verluste zu entwickeln.

Zukünftige Forschungsanstrengungen werden wahrscheinlich die beobachteten Effekte unter Verwendung einer Vielzahl von Ansätzen verstärken, einschließlich Wellenleiter / Faser-Integration und optischer Resonatoren. Darüber hinaus können verschiedene Polaritonen und photonische Metamaterialien lokalisierte Verstärkung und Manipulation von optischen Nichtlinearitäten in 2D-Materialien bereitstellen, um Oberflächenplasmonen zu erzeugen und die vorhersehbaren Herausforderungen der Entwicklung nichtlinearer Nanophotonik und Nanophysikvorrichtungen mit fortschrittlichen optischen Lösungen anzugehen.

Das Wissen kann auf andere nichtlineare optische Prozesse in Graphen ausgeweitet werden, einschließlich der Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung. Die bestehende Technologie mit herkömmlichen Massenkristallen hat aufgrund ihrer relativ kleinen nichtlinearen optischen Suszeptibilität und der komplexen und teuren Herstellungs- und Integrationsverfahren eine technische Grenze für die Realisierung der angestrebten optoelektronischen Anwendungen erreicht. Die demonstrierte nichtlineare optische Wechselwirkungsverstärkung in 2-D-Materialien sollte idealerweise neben einer großflächigen und qualitativ hochwertigen 2-D-Materialherstellung entwickelt werden, um völlig unterschiedliche Ansätze für elektrisch abstimmbare Nanodenbauweisen zu ermöglichen. Solche Nanogeräte können die vorgeschlagenen Fortschritte in der Metrologie, Sensorik, Bildgebung, Quantentechnologie und Telekommunikation erleichtern.

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