Steuerung optischer Nichtlinearität: Neue Technologie mit dem besonderen Dreh
Die nichtlineare Optik befasst sich damit, wie Licht mit Materie interagiert, und spielt bei optischen Anwendungen, wie etwa der ultraschnellen optischen Signalverarbeitung, ultraschnellen Schaltern, Lasern und Sensoren, eine wichtige Rolle. Mit der Entdeckung neuer Arten der Verwendung von Licht bringt die nichtlineare Optik Fortschritte in mehreren Bereichen voran, darunter medizinische Testverfahren, Kommunikation und Gewinnung von solarer Energie. Durch die EU-finanzierten Projekte QSpec-NewMat (Quantum Spectroscopy: exploring new states of matter out of equilibrium) und PeSD-NeSL (Photo-excited State Dynamics and Non-equilibrium States under Laser in Van der Waals Stacked Two-dimensional Materials) unterstützte Forschende haben nun eine neue Methode zur Modulation eines wichtigen nichtlinearen optischen Prozesses, der sogenannten Frequenzverdopplung, entwickelt. Bei der Frequenzverdopplung interagieren zwei Photonen gleicher Frequenz mit einem nichtlinearen Material und werden kombiniert, um ein neues Photon mit der doppelten Energie der ursprünglichen Photone zu erzeugen. Als 2D-Material für diesen optischen Prozess setzten die Forschenden hexagonales Bornitrid ein. „Unsere Arbeit war die erste, in der die dynamisch regelbare Symmetrie von 2D-Materialien für nichtlineare Anwendungen genutzt wurde“, meint James Schuck, außerordentlicher Professor an der Columbia University, in einer auf der Website „EurekAlert!“ veröffentlichten Pressemitteilung. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Science Advances“ publiziert.
Twistronik: Anwendung auf optische Eigenschaften
Nach wissenschaftlichen Erkenntnissen können sich die elektrischen Eigenschaften von 2D-Materialien je nach Winkel zwischen den Schichten erheblich verändern. Mit seiner Arbeit zeigte das Forschungsteam, dass das Konzept der Twistronik, also das Drehen bzw. Verdrehen einer Schicht relativ zu einer anderen, auch auf optische Eigenschaften anwendbar ist. „Wir nennen dieses neue Forschungsgebiet ‚Twistoptik‘ [twistoptics]“, erläutert Schuck, Mitautor der Studie. „Wie unser Twistoptik-Ansatz zeigt, sind wir jetzt in der Lage, nichtlineare optische Reaktionen enormen Umfangs bei sehr kleinen Volumen – lediglich ein paar atomaren Schichtdicken – zu erzielen. Dies ermöglicht beispielsweise die Erzeugung verschränkter Photone mit einem weitaus kompakteren, chipkompatiblen Profil. Die Reaktion ist zudem vollständig und auf Abruf regelbar.“ Die meisten herkömmlichen nichtlinearen optischen Kristalle haben feste Strukturen, wodurch die Steuerung der optischen Eigenschaften des Materials erschwert wird. Um die erforderlichen Steuerungsmöglichkeiten zu erlangen, setzte das Forschungsteam auf Van-der-Waals-Kristalle. Durch die schwachen Kräfte zwischen den Schichten der Kristalle kann die Kristallorientierung in diesem Bereich leichter manipuliert werden. So wurden dünne Filme aus Bornitrid (das für seine schwache Van-der-Waals-Interaktion zwischen den Schichten bekannt ist) in unterschiedlichen Verdrehungswinkeln aufeinandergelegt.
Ergebnisse
Die Forschenden konnten die optische Frequenzverdopplung mit einer Mikro-Drehvorrichtung präzise regulieren. Zudem ließ sich die Frequenzverdopplung durch vertikale Van-der-Waals-Übergitterstrukturen mit mehrfach verdrehten Schnittstellen erheblich verbessern. „Wir zeigten, dass das nichtlineare optische Signal sogar mit dem Quadrat der Anzahl der verdrehten Schnittstellen skaliert“, sagt Hauptautor Kaiyuan Yao von der Columbia University. „Damit wird die bereits starke nichtlineare Reaktion einer einzigen Schnittstelle noch um mehrere Größenordnungen vervielfacht.“ Die verbesserte nichtlineare Reaktion, die aus diesem Prozess hervorging, könnte den Weg hin zu einer atomar präzisen Fertigungsmethode für nichtlineare optische Kristalle mit hoher Effizienz weisen. „Wir hoffen, dass diese Demonstration einen ‚neuen Dreh‘ in dieser sich weiterentwickelnden Geschichte liefert, bei der es um die Nutzung und Steuerung der Eigenschaften von Materialien geht“, ergänzt Schuck abschließend. Die Projekte QSpec-NewMat und PeSD-NeSL werden vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland koordiniert. QSpec-NewMat endet im September 2021, PeSD-NeSL im Juni 2022. Weitere Informationen: QSpec-NewMat-Projektwebsite Projekt PeSD-NeSL
Schlüsselbegriffe
QSpec-NewMat, PeSD-NeSL, nichtlineare Optik, Frequenzverdopplung, 2D-Material, Twistronik, Twistronics, Twistoptik, Twistoptics, Photon
