Control de la no linealidad óptica: una nueva técnica que da una vuelta de tuerca
La óptica no lineal, estudio de la intensidad con la que la luz interactúa con la materia, desempeña un papel importante en aplicaciones ópticas como el procesamiento ultrarrápido de señales ópticas, los conmutadores ultrarrápidos, los láseres y los sensores. A través del descubrimiento de nuevos usos de la luz, la óptica no lineal fomenta avances en ámbitos como el de las pruebas médicas, las comunicaciones y la recolección de energía solar. Unos investigadores respaldados por los proyectos financiados con fondos europeos QSpec-NewMat y PeSD-NeSL acaban de desarrollar un nuevo método para modular un importante proceso óptico no lineal denominado generación de segundo armónico (GSA). En la GSA, también conocida como duplicación de frecuencia, dos fotones con la misma frecuencia interactúan con un material no lineal y se combinan para producir un nuevo fotón con el doble de energía que los fotones iniciales. El material bidimensional que los investigadores utilizaron para este proceso óptico fue nitruro de boro hexagonal. «Nuestro trabajo es el primero en aprovechar la simetría ajustable dinámicamente de los materiales bidimensionales para aplicaciones ópticas no lineales», afirmó el profesor asociado James Schuck de la Universidad de Columbia en una noticia publicada en el sitio web «EurekAlert!». El estudio fue publicado en la revista «Science Advances».
Aplicación de técnicas de torsión a las propiedades ópticas
Se ha determinado que las propiedades eléctricas de los materiales bidimensionales cambian significativamente según el ángulo existente entre sus capas. En su trabajo, los miembros del equipo de investigación mostraron que este concepto basado en la rotación o torsión de una capa respecto a otra —«twistronics»— también puede aplicarse a las propiedades ópticas. «Llamamos a este nuevo ámbito de investigación “twistoptics” (torsióptica)», señaló el coautor y profesor asociado Schuck. «Nuestro método de “twistoptics” demuestra que ahora podemos conseguir gigantescas respuestas ópticas no lineales en volúmenes muy pequeños —con un grosor de capa de unos pocos átomos— lo cual permite, por ejemplo, generar fotones entrelazados con una forma compatible con circuitos integrados y mucho más compacta. Además, la respuesta es totalmente ajustable según la demanda». La mayoría de los cristales ópticos no lineales convencionales poseen estructuras rígidas, lo cual dificulta el control de las propiedades ópticas del material. La solución del equipo para conseguir este control necesario fue utilizar cristales de van der Waals. La débil fuerza entre las capas de estos cristales facilita la manipulación de la orientación entre las capas del cristal. Se apilaron finas películas de nitruro de boro (conocido por su débil interacción van der Waals entre capas) con distintos ángulos de torsión.
Resultados
Los investigadores fueron capaces de ajustar con precisión la GSH óptico con dispositivos microrrotores. Además, pudieron mejorar notablemente la GSH con estructuras verticales de superredes de van der Waals con múltiples interfaces helicoidales. El primer autor, Kaiyuan Yao de la Universidad de Columbia, comentó: «Mostramos que la señal óptica no lineal, en realidad, escala con el cuadrado del número de interfaces helicoidales. Por lo tanto, esto refuerza aún más la ya gran respuesta no lineal de órdenes de magnitud de una única interfaz». La respuesta no lineal mejorada producida a partir de este proceso podría apuntar a un nuevo método de fabricación con precisión atómica para obtener cristales ópticos no lineales eficaces. «Esperamos que esta demostración dé un nuevo giro a la narrativa en desarrollo que busca aprovechar y controlar las propiedades de los materiales», concluyó el profesor asociado Schuck. Los proyectos QSpec-NewMat (Quantum Spectroscopy: exploring new states of matter out of equilibrium) y PeSD-NeSL (Photo-excited State Dynamics y Non-equilibrium States under Laser in Van der Waals Stacked Two-dimensional Materials) son coordinados por el Instituto Max Planck de la Estructura y Dinámica de la Materia (Alemania). QSpec-NewMat finaliza en septiembre de 2021 y PeSD-NeSL, en junio de 2022. Para más información, consulte: Sitio web del proyecto QSpec-NewMat Proyecto PeSD-NeSL
Palabras clave
QSpec-NewMat, PeSD-NeSL, óptica no lineal, generación de segundo armónico, material bidimensional, «twistronics», «twistoptics», fotón
