Naujoviškas šviesos spąstų dizainas stiprina atominiu lygiu plonas puslaidininkius
Mokslininkai atrado būdą, kaip stiprinti itin plonus puslaidininkius, nekeičiant pačios medžiagos, bet formuojant erdvę po jais. Tokiu būdu jie sukūrė mažyčius „šviesos spąstus“, kurie dramatiškai sustiprina šviesos emisiją ir optinius efektus — iki 20 kartų stipresnę emisiją ir 25 kartus stipresnius nelinearinius signalus. Šie tuščiaviduriai dariniai, vadinami Mie ertmėmis, koncentruoja šviesą ten, kur yra medžiaga, taip įveikiant didelį atominiu lygiu plonų įrenginių apribojimą.
Tyrimo pagrindai ir nauja platforma
Atominio lygio puslaidininkiai, tokie kaip volframo disulfidas (WS2), tampa pagrindinėmis medžiagomis naujos kartos fotoninėms technologijoms. Nors jie yra tik vieno atomo storio sluoksniai, jie gali sudaryti stipriai su šviesa sąveikaujančias elektronų ir skylių poras, vadinamas eksitonais. Šios medžiagos taip pat gali generuoti naujas šviesos spalvas per nelinearinius optinius efektus, tokius kaip antroji harmoninė generacija. Kadangi šios savybės yra perspektyvios kvantinės optikos, jutiklių ir kompaktiškų šviesos šaltinių lustuose srityse, jų ekstremalus plonumas taip pat kelia iššūkių. Labai mažai medžiagai būnant, šviesa turi ribotą sąveiką, todėl dažnai pasitaiko silpna emisija ir neefektyvi dažnių konversija, jei aplinkinė fotoninė aplinka nėra kruopščiai suprojektuota.
Erdvės transformavimas į šviesos rezonatorių
Tradiciniai dielektriniai nano rezonatoriai spąstais šviesą kietose medžiagose, tokiose kaip silicis. Nors tai dažnai yra efektyvu, ši konstrukcija laiko stipriausius optinius laukus toliau nuo paviršiaus, kur yra atominiu lygmeniu plonos medžiagos. Mie ertmės veikia kitaip. Vietoj to, kad šviesą spąstais kieto kūno viduje, jos apriboja ją po bangos ilgį viršijančiose oro ertmėse, išgraviruotose medžiagoje su labai aukštu lūžio rodikliu. Stiprūs atspindžiai oro-dielektriko riboje leidžia šviesai cirkuliuoti ertmės viduje. Dėl to optinis laukas yra koncentruotas oro regione ir šalia paviršiaus, kur yra WS2 sluoksnis.
Struktūros dizainas ir gamyba
Naudodami detalias elektromagnetines simuliacijas, tyrėjai suprojektavo ertmes, kurios palaiko dipolinę rezonansiją, suderinamą su pagrindiniu WS2 emisijos bruožu, žinomu kaip A eksitonas. Atsargiai reguliuodami kiekvienos ertmės spindulį ir gylį, jie galėjo valdyti tiek rezonanso bangos ilgį, tiek optinio režimo vertikalią padėtį. Ertmes jie sukūrė naudodami fokusuoto jonų pluošto frezavimą storose, mechaniškai eksfolijuotose Bi2Te3 plokštelėse. Jos buvo pakankamai toli viena nuo kitos, kad veiktų kaip atskiri rezonatoriai, o ne tarpusavyje sąveikaujančios.
Šviesos emisijos stiprinimas iš WS2
Kad suprastų, kaip ertmės veikia šviesos emisiją, komanda matavo WS2 fotoliuminescenciją esant lazerio sužadinimui, keisdama ertmės gylį. Kai ertmės rezonansas sutapo su WS2 emisijos juosta, šviesos išvestis padidėjo apie 20 kartų, palyginti su mažiausiai rezonansine ertme.
Nelinearinė optika ir šviesos režimų vizualizavimas
Komanda taip pat tyrė nelinearinius optinius efektus, reguliuodama ertmės geometriją, kad rezonansas pasikeistų į netoli infraraudonųjų spindulių diapazoną. Tokiu atveju antrinės harmoninės signalas iš WS2 padidėjo apie 25 kartus, palyginti su nerezonansinėmis ertmėmis. Sistema leidžia tiesiogiai vizualizuoti optinius režimus. Antrinės harmoninės signalo tolimosios lauko vaizdavimas atskleidė ryškius, lokalizuotus karštuosius taškus virš atskirų ertmių.
Ši technologija gali leisti pasiekti laimėjimus nelinearinėje šviesos generacijoje, paviršiaus sustiprintame jutiklyje ir programuojamuose fotoniniuose įrenginiuose, pagrįstuose dviejų dimensijų puslaidininkiais.
