Forskare vid Chalmers tekniska högskola har för första gången lyckats kombinera två stora forskningsfält inom fotoniken genom att skapa ett nano-objekt med unika optiska egenskaper. Då objektet är tusen gånger mindre än ett mänskligt hårstrå, men ändå mycket kraftfullt, har upptäckten stor potential att komma till nytta i utvecklingen av effektiva och kompakta icke-linjära optiska enheter.
– Jag har en känsla av att denna upptäckt är potentiellt banbrytande, säger biträdande professor Timur Shegai, som lett studien.
Fotoniska applikationer utnyttjar kraften i interaktionen mellan ljus och materia för att skapa olika fascinerande fenomen. Detta har möjliggjort stora framsteg inom bland annat kommunikation, medicin och spektroskopi, och används även inom laser- och kvantteknologier. Nu har forskare vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola lyckats kombinera två stora forskningsfält – icke-linjär och högindex nanofotonik – i ett enda skivliknande nanoobjekt.
– Vi blev både förvånade och glada över vad vi lyckades åstadkomma. Den skivliknande strukturen är mycket mindre än ljusets våglängd, men ändå en väldigt effektiv ljusfrekvensomvandlare. Den är också 10 000 gånger mer effektiv än det ostrukturerade materialet av samma typ, vilket visar att nanostrukturering är rätt väg att gå för ökad effektivitet, säger doktor Georgii Zograf, huvudförfattare till artikeln i Nature Photonics där forskningsresultaten presenteras.
Ett nytt sätt att tillverka utan förlust av egenskaper
Något förenklat består nanoskivan av en kombination av material och optiska resonanser, med förmågan att omvandla ljusfrekvenser genom kristallstrukturens icke-linjäritet. Vid tillverkningen har de använt molybdendisulfid, en övergångsmetall-dikalkogenid (TMD). Det är ett atomtunt material med enastående optiska egenskaper vid rumstemperatur. Molybdendisulfid är dock mycket svårt att stapla utan att man förlorar dess icke-linjära egenskaper, på grund av brist på symmetri i dess kristallina gitter.
– Vi har för första gången tillverkat en nanoskiva staplad av molybdendisulfid som bevarar den brutna inverterade symmetrin inom sin egen volym, och därmed bibehåller den optiska icke-linjäriteten. Därmed bevarar nanoskivan de icke-linjära optiska egenskaperna i varje enskilt lager, vilket innebär att materialets effekter både bevaras och förstärks, säger Georgii Zograf.
Det finns flera fördelar med materialet. Det har ett högt brytningsindex, vilket innebär att ljus kan komprimeras mer effektivt i materialet. Ytterligare kan det överföras till vilket underlag som helst utan att man behöver matcha dess atomära gitter med det underliggande materialet. Dess nanostruktur är också mycket effektiv på att lokalisera elektromagnetiska fält och generera ljus med fördubblad frekvens utifrån det, en effekt som kallas andra övertonsgenerationen (”Second Harmonic Generation”). Det är ett så kallat icke-linjärt optiskt fenomen liknande de summa- och differensfrekvensgenereringseffekter som används i högenergipulserande lasersystem.
Totalt sett kombinerar alltså nanoskivan extrem icke-linjäritet med högt brytningsindex i en enda kompakt struktur.
Ett stort steg framåt för optikforskningen
– Nanoskivans material och design ligger i framkant tack vare de extremt höga inneboende icke-linjära optiska egenskaperna och de anmärkningsvärda linjära optiska egenskaperna – ett brytningsindex på 4,5 inom det synliga optiska spektrat. Dessa två egenskaper gör vår forskning nydanande och potentiellt intressant, även för industrin, säger Georgii Zograf.
– Det är verkligen en milstolpe, särskilt på grund av nanoskivans minimala storlek. Dagligen används andra övertonsgenerationen och andra icke-linjäriteter i lasrar, men de plattformar som använder dem är vanligtvis i centimeterstorlek. Som kontrast till det är nanoskivans skala cirka 50 nanometer, alltså ungefär 100 000 gånger tunnare, säger Timur Shegai.
Forskarna tror att nanoskivan kommer att kunna driva fotonikforskningen framåt. På lång sikt kan TMD-materialens mycket kompakta dimensioner, kombinerade med deras unika egenskaper, potentiellt kunna användas i avancerade optiska och fotoniska applikationer. Till exempel kan dessa strukturer integreras i olika typer av optiska kretsar eller användas för miniatyrisering av fotonik.
– Vi tror att det kan bidra till olika slags framtida experiment – både kvantmekaniska och klassiska – inom icke-linjär nanofotonik. Genom att nanostrukturera detta unika material kan vi dramatiskt minska storleken och öka effektiviteten hos optiska enheter, som nanoskivmatriser och metaytor. Dessa innovationer kan användas i tillämpningar inom icke-linjär optik och för generering av sammanflätade fotonpar. Detta är ett första litet steg, men ett väldigt viktigt sådant. Vi har bara börjat skrapa på ytan, säger Timur Shegai.
Mer om forskningen:
Artikeln "Combining ultrahigh index with exceptional nonlinearity in resonant transition metal dichalcogenide nanodisks" publicerades i Nature Photonics den 13 juni 2024. Den är skriven av Georgii Zograf, Alexander Yu. Polyakov, Maria Bancerek, Tomas J. Antosiewicz, Betül Küçüköz och Timur Shegai. Samtliga forskare är aktiva vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, med undantag för Bancerek och Antosiewicz som är verksamma vid Fakulteten för fysik, Universitetet i Warszawa.
Arbetet utfördes delvis vid Myfab Chalmers och Chalmers Materialanalyslaboratorium. Beräkningar utfördes delvis vid Interdisciplinary Centre for Mathematical and Computational Modelling, Universitetet i Warszawa.
Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Chalmers Styrkeområde Nano, 2D-Tech Vinnova Competence Center, Olle Engkvist stiftelse och det polska nationella vetenskapscentret.
Kontakt
- Biträdande professor, Nano- och biofysik, Fysik
- Doktor, Nano- och biofysik DP