Grafende elektrikle ayarlanabilen üçüncü dereceden lineer olmayan optik cevap

Anonim

2-D malzemelere odaklanan araştırma, üstün performans için ışığı modüle etme potansiyeli ve mevcut teknolojileri geliştirebilecek uygulamaları gerçekleştirme potansiyeli ile yoğunlaşmıştır. 3-D grafitinden türetilen en iyi bilinen 2-D materyal olan grafen, son derece geniş bir spektralde çalışabilen güçlü ultra geniş bantlı ışık-madde etkileşimleri sergileyen 2-D altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş bir karbon atomu tek tabaka oluşturur. Yeni nesil fotonikler ve optoelektronik cihazlar için uygundur. Grafenin benzersiz elektronik özellikleri, Dirac konilerinden, sıfır etkili kütlenin yük taşıyıcılarına ev sahipliği yapan elektronik bant yapılarındaki özelliklerden, 2-D materyallerde meydana gelen kütlesiz Dirac fermiyonlarından kaynaklanır. Materyal bilimciler şu anda mevcut teknolojiyi bozma ve geniş kapsamlı uygulamaları kolaylaştırma vaadine yardımcı olmak için grafenin lineer olmayan optik cevaplarının birçok ilginç özelliğini gerçekleştirmek için deneysel bebeklik aşamasındadır.

Doğrusal olmayan optiklerin doğumu, 1961 yılında Peter Franken ve darbeli bir yakut lazeri olan işçiler tarafından yapılan bir deneyde, ikinci harmonik kuşağın (SHG, frekans ikiye katlaması) ilk kez doğrusal olmayan etkisini gözlemledikleri bir şekilde kredilendirilmiştir. Optik doğrusal olmayanların dinamik kontrolü, günümüzde spektroskopik bir araç olarak araştırma laboratuvarları ile sınırlı kalmaktadır.

Şimdi Doğa Fotoniklerinde, Tao Jiang ve ark. Doğrusal olmayan üçüncü harmonik üretiminin (THG, frekans üçlemesi), elektriksel bir kapı voltajı kullanılarak grafen olarak geniş çapta ayarlanabileceğini rapor eder. Bu, birçok potansiyel uygulamaya sahiptir - geçitli, grafiğin ve diğer 2-D grafen benzeri malzemelerin lineer olmayan optik mekanizmaları, son derece yüksek hız ve tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) uyumluluğu ile gelecek çip üzerinde fotonik ve optoelektronik uygulamalar için arzu edilir. Cihaz üretimi için. Spektral bant genişliği sınırlı olmasına rağmen, elektrikle ayarlanabilir ikinci harmonik üretimi, eksitonlar ile Tungsten diselenide (WSe 2) gibi diğer 2-D materyallerde daha önce bildirilmiştir. Deneysel olarak, giriş frekanslarını veya grafenin kimyasal potansiyelini (E f) ayarlama, teorik olarak önerilen, üçüncü dereceden doğrusal olmayan optik yanıt hakkında ayrıntılı bilgi sağlayabilir.

Üçüncü dereceden lineer olmayan süreçler, dört alanı karıştırmak için üç alanı karıştırarak dört dalga karışımı olarak da bilinir. Jiang ve ark. grafen kimyasal potansiyelini (E f) ayarlama ve belirli bir giriş frekansı kümesi için iyonik jel geçişli (kapı kontrollü doping olarak da bilinir) tek foton ve multiphoton rezonans geçişlerini elektriksel olarak açma veya kapatma yeteneğinden kaynaklanır. Deneysel sonuçlar, grafen ve grafen benzeri Dirac materyallerinde üçüncü dereceden doğrusal olmayan optik süreçleri kavramak için sağlam bir temel sağlamak üzere teorik hesaplarla iyi bir uyum göstermektedir.

Kapı ayarlanabilen THG'nin çalışma bant genişliği, 1550 nm'de fiber optik telekomünikasyon için en yaygın spektral aralığı kapsayan, ~ 1300 nm ila 1650 nm arasındaydı. Böyle geniş bir çalışma bant genişliği grafen Dirac fermiyonlarının enerji dağılımından kaynaklandı. Gözlem, Nature Nanotechnology'de yayınlanan paralel bir araştırmaya benzer şekilde, kütlesiz Dirac fermiyonlarına da atfedilen grafenin THG verimliliğini (THGE) elektriksel olarak kontrol etmektir. Genel olarak, deneysel olarak gözlemlenen geniş bant geçitle ayarlanabilen grafin grafikleri, pratikte elektriksel olarak ayarlanabilir doğrusal olmayan optik cihazlar oluşturmak için yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

Örneğin, mevcut elektronik ara bağlantılar (bakır kablolar), performans kısıtlamaları nedeniyle bant genişliği kaybına uğramakta, medya akışı için gerekli hızlandırılmış bilgi işlemlerini, bulut bilişimini ve nesnelerin interneti (IoT) gerektirmektedir. Işığın düzenlenmesi ve daha yüksek bant genişliği ve daha düşük kayıp için kompakt, düşük maliyetli, yüksek performanslı optik ara bağlantıların geliştirilmesi için artan bir ihtiyaç vardır.

Gelecekteki araştırma çabaları, dalga kılavuzu / fiber entegrasyonu ve optik rezonatörler de dahil olmak üzere çeşitli yaklaşımları kullanarak gözlenen etkilerini artıracaktır. Buna ek olarak, çeşitli polaritonlar ve fotonik metamalzemeler, yüzey optikleri oluşturmak ve gelişmiş optik çözümler ile nonlineer nanophotonics ve nanofizik cihaz geliştirme öngörülen zorluklarla mücadele için 2-D malzemelerde optik doğrusal olmayanların lokalize iyileştirme ve manipülasyon sağlayabilir.

Bilgi, yüksek mertebeden harmonik üretimi de dahil olmak üzere grafendeki diğer doğrusal olmayan optik süreçlere genişletilebilir. Geleneksel kütle kristalleri olan mevcut teknoloji, göreceli olarak küçük doğrusal olmayan duyarlılıkları ve karmaşık ve pahalı imalat ve entegrasyon yöntemleri nedeniyle öngörülen optoelektronik uygulamaları gerçekleştirmek için teknik bir sınır vurmuştur. 2-D malzemelerde gösterilen doğrusal olmayan optik etkileşim artırımı, elektriksel olarak ayarlanabilir nanodevice konstrüksiyonu için tamamen farklı yaklaşımlar sağlamak amacıyla, büyük ölçekli ve yüksek kaliteli 2-D malzeme üretimi yanında ideal olarak geliştirilmelidir. Bu tür nano-cihazlar, metroloji, algılama, görüntüleme, kuantum teknolojisi ve telekomünikasyonda önerilen ilerlemeleri kolaylaştırabilir.

menu
menu