חשמלית מתכווננת מצד שלישי תגובה לא ליניארית אופטית בגראפן

אגם ארונות הזזה ● מדיה פרו שילוט לד דיגיטלי ● מסכי לד לפרסום העסק (יולי 2019).

Anonim

ההתמקדות במחקר בחומרים דו-ממדיים התגברה עם הפוטנציאל שלה לאמץ את האור עבור ביצועים מעולים ולממש יישומים שיכולים לשפר את הטכנולוגיות הקיימות. Graphene, החומר הידוע ביותר דו-ממדי, הנגזר משלושה גרפיטים תלת-ממדיים, מהווה מונו-אליר של אטומי פחמן המסודרים בסריג משושה דו-מימדי, ומציג אינטראקציות חזקות של אור-פס רחב-אור, המסוגלות לפעול על-גבי ספקטרום רחב במיוחד טווח, מתאים עבור הדור הבא photonics והתקנים אופטו. המאפיינים האלקטרוניים הייחודיים של גרפן מקורם באצטרובלים של דיראק, תכונות במנגנוני פס אלקטרונים המארחים מטענים של מסה יעילה אפס, מה שמכונה "פרמיות דיראק" חסרות-מסה המתרחשות בחומרים דו-ממדיים. מדענים חומרים נמצאים בשלב של ינקות ניסיוני כדי לממש תכונות מעניינות רבות של תגובות אופטיות לא ליניארי של גראפן, כדי לסייע להבטחתו לשבש את הטכנולוגיה הקיימת ולאפשר יישומים נרחבים.

הלידה של אופטיקה לא ליניארית זוכה לניסוי שנערך בשנת 1961 על ידי פיטר Franken ועמיתים לעבודה עם לייזר רובי לייזר, שבו הם נצפו את ההשפעה הלא לינארית של הדור השני הרמוני (SHG, הכפלת תדירות) בפעם הראשונה. שליטה דינמית של nonlinearities אופטי נשאר מוגבל מעבדות מחקר ככלי ספקטרוסקופי כיום.

עכשיו בכתב Nature Photonics, טאו ג 'יאנג et al. כי הדור השלישי הלא הרמוני ליניארי (THG, תדר משולש) ניתן לכוונן באופן נרחב גראפן באמצעות מתח שער חשמלי. זה יש יישומים פוטנציאליים רבים, שער מתכוונן, מנגנונים אופטיים לא ליניאריים של גראפן וחומרים אחרים דמויי 2-D גרפן רצוי מהנדסים עתידיים על שבב פוטוניים ויישומים אופטו עם מהירות גבוהה מאוד משלימה מתכת-תחמוצת מוליכים למחצה (CMOS) תאימות עבור ייצור המכשיר. הדור השני חשמלית מתכוונן חשמלית דווח בעבר בחומרים אחרים 2-D, כגון טונגסטן diselenide (WSe 2) עם אקסיטונים, למרות רוחב הפס הספקטרום היה מוגבל. באופן ניסיוני, כוונון תדרי הקלט או הפוטנציאל הכימי (E f) של הגרפן יכול לספק מידע מפורט על התגובה השלישית מסוג לא ליניארי אופטי, הציע עד כה בתיאוריה.

תהליכים לא ליניאריים מסדר שלישי ידועים גם בשם ארבעה גל ערבוב, כפי שהם לערבב שלושה שדות לייצר הרביעי. התוצאות האחרונות של ג 'יאנג et al. מקורן ביכולת לכוונן את הפוטנציאל הכימי (EF) של גרפן ולהפעיל או לכבות את מעברי התהודה של פוטון יחיד ומולטיפוטון עם גלוטן יון (הידוע גם בשם סימום בשליטת סף), עבור קבוצה נתונה של תדרי קלט. תוצאות הניסוי התאימו היטב לחישובים תיאורטיים כדי לספק בסיס מוצק להבנת תהליכים אופטיים לא ליניאריים מסדר שלישי בחומרי דיראק גרפיים וגרפן.

רוחב הפס המבצע של שער TG מתכוונן נע בין ~ 1300 ננומטר ל 1650 ננומטר, המכסים את טווח ספקטרלי הנפוץ ביותר עבור תקשורת סיבים אופטיים ב 1550 ננומטר. רוחב פס פעולה רחב כזה נבע מהפצת האנרגיה של פרמיונים דיראק גרפן. התצפית דומה לחקירה המקבילה שפורסמה בטבע ננוטכנולוגיה כדי לשלוט באופן חשמלי את יעילות THG (THGE) של גראפן, כמו כן מיוחסים פרמיונים דיראק המונית. בסך הכל, ניסויי פס רחב שער ניסויי פס רחב מתכוונן שער של גראפן להציע גישה חדשה לבניית התקנים אופטיים לא ליניארי מתכוונן חשמלית בפועל.

חיבורים אלקטרוניים קיימים (כבלים נחושת) למשל, סובלים אובדן רוחב הפס עקב הגבלות על ביצועים, מעכב עיבוד מידע מואץ נדרש הזרמת מדיה, מחשוב ענן האינטרנט של דברים (IoT). יש צורך גובר כדי להסדיר את האור ולפתח קומפקטית, חסכונית, ביצועים גבוהים אופטיות קישוריות עבור רוחב פס גבוה יותר נמוך הפסד.

מאמצי מחקר עתידיים עשויים לשפר את ההשפעות הנצפות באמצעות מגוון של גישות, כולל שילוב גל / שילוב סיבים ומהודים אופטיים. בנוסף, polaritons שונים metamaterials פוטוניים יכולים לספק שיפור מקומי ומניפולציה של nonlinearities אופטי בחומרים 2-D כדי ליצור plasmons פני השטח להתמודד עם האתגרים הצפויים של nanophotonics לא לינארית וננופיסיקה פיתוח המכשיר, עם פתרונות אופטי מתקדמים.

הידע יכול להיות המורחבת לתהליכים אופטיים לא ליניאריים אחרים בגראפן, כולל הדור ההרמוני גבוה. הטכנולוגיה הקיימת עם גבישים בתפזורת המסורתית יש פגע גבול טכני כדי לממש את היישומים אופטו היקפי, עקב קטן יחסית שלהם אופטי הרגישות לא לינארית ואת מורכבים ויקרים, ייצור ושיטות אינטגרציה. ההדגמה הפומבית לא-ליניארית לשיפור האינטראקציה בחומרים דו-מימדיים צריכה להתפתח באופן אידיאלי לצד ייצור חומרים רב-תכליתי בקנה מידה גדול ואיכותי, כדי לאפשר גישות שונות לחלוטין לבניית nanodevice מתכווננת חשמלית. Nanodevices כאלה עשויים להקל על ההתקדמות המוצעת מטרולוגיה, חישה, הדמיה, טכנולוגיה קוונטית ותקשורת.

menu
menu