Réponse optique non linéaire du troisième ordre réglable électriquement dans le graphène

Anonim

La recherche axée sur les matériaux à deux dimensions s’est intensifiée grâce à son potentiel de modulation de la lumière pour des performances supérieures et à la réalisation d’applications pouvant améliorer les technologies existantes. Le graphène, le matériau 2-D le plus connu, dérivé du graphite 3-D, constitue une monocouche d’atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal 2D, présentant de fortes interactions lumière-matière à très large bande, capables de fonctionner à un spectre spectral extrêmement large. gamme adaptée à la photonique nouvelle génération et aux dispositifs optoélectroniques. Les propriétés électroniques uniques du graphène proviennent des cônes de Dirac, caractéristiques des structures de bandes électroniques qui hébergent des porteurs de charge de masse effective nulle, appelés fermions de Dirac sans masse, présents dans les matériaux à deux dimensions. Les scientifiques spécialistes des matériaux sont actuellement à un stade de développement expérimental pour réaliser de nombreuses propriétés intéressantes des réponses optiques non linéaires du graphène, afin de contribuer à sa capacité à perturber la technologie existante et à faciliter des applications de grande envergure.

La naissance de l’optique non linéaire est due à une expérience menée en 1961 par Peter Franken et ses collègues avec un laser à rubis pulsé, dans laquelle ils observaient pour la première fois l’effet non linéaire de la génération des deuxièmes harmoniques (SHG, doublage de fréquence). Le contrôle dynamique des non-linéarités optiques reste confiné aux laboratoires de recherche en tant qu'outil spectroscopique à l'heure actuelle.

Maintenant écrit dans Nature Photonics, Tao Jiang et al. indiquent que la génération non linéaire de troisième harmonique (THG, triplement de fréquence) peut être largement ajustée dans le graphène en utilisant une tension de grille électrique. Cela a de nombreuses applications potentielles: les mécanismes optiques non linéaires, réglables en grille, du graphène et d'autres matériaux de type graphène 2D sont souhaitables pour concevoir de futures applications photoniques et optoélectroniques sur puce avec une compatibilité extrêmement rapide et des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires (CMOS). pour la fabrication de dispositifs. La génération de deuxième harmonique électriquement accordable a été précédemment rapportée dans d'autres matériaux à deux dimensions, tels que le diséléniure de tungstène (WSe 2) avec des excitons, bien que la largeur de bande spectrale soit limitée. Expérimentalement, le réglage des fréquences d'entrée ou du potentiel chimique (E f) du graphène peut fournir des informations détaillées sur la réponse optique non linéaire du troisième ordre, suggérée jusqu'ici en théorie.

Les processus non linéaires du troisième ordre sont également connus sous le nom de mélange à quatre ondes, car ils mélangent trois champs pour produire un quatrième. Les derniers résultats de Jiang et al. proviennent de la possibilité d'ajuster le potentiel chimique (E f) du graphène et d'allumer ou d'éteindre électriquement les transitions résonantes à photons uniques et multiphotons avec le déclenchement par gel ionique (également appelé dopage contrôlé par grille), pour un ensemble donné de fréquences d'entrée. Les résultats expérimentaux correspondent bien aux calculs théoriques pour fournir une base solide pour comprendre les processus optiques non linéaires du troisième ordre dans le graphène et les matériaux de Dirac de type graphène.

La largeur de bande de fonctionnement du THG accordable par grille était comprise entre 1300 et 1650 nm, couvrant la gamme spectrale la plus courante pour les télécommunications par fibre optique à 1550 nm. Une largeur de bande d'opération aussi large résultait de la distribution d'énergie des fermions de graphène de Dirac. L'observation est similaire à une enquête parallèle publiée dans Nature Nanotechnology pour contrôler électriquement l'efficacité THG (THGE) du graphène, également attribuée aux fermions de Dirac sans masse. Globalement, les non-linéarités optiques accordables à la grille à large bande expérimentalement observées du graphène offrent une nouvelle approche pour la construction de dispositifs optiques non linéaires accordables électriquement dans la pratique.

Les interconnexions électroniques existantes (câbles de cuivre), par exemple, souffrent d'une perte de bande passante due aux restrictions de performance, empêchant le traitement accéléré des informations nécessaires à la diffusion multimédia, à l'informatique en nuage et à l'internet des objets. Il existe un besoin croissant de réguler la lumière et de développer des interconnexions optiques compactes, économiques et performantes pour une bande passante plus élevée et des pertes plus faibles.

Les futurs efforts de recherche sont susceptibles d'améliorer les effets observés en utilisant diverses approches, notamment l'intégration de guides d'ondes / fibres et les résonateurs optiques. De plus, divers polaritons et métamatériaux photoniques peuvent fournir une amélioration et une manipulation localisées des non-linéarités optiques dans des matériaux à deux dimensions pour créer des plasmons de surface et relever les défis de développement de dispositifs nanophotoniques et non linéaires.

Les connaissances peuvent être étendues à d’autres processus optiques non linéaires dans le graphène, y compris la génération d’harmoniques de haut niveau. La technologie existante avec des cristaux en vrac traditionnels a atteint une limite technique pour réaliser les applications optoélectroniques envisagées, en raison de leur susceptibilité optique non linéaire relativement faible et des procédés de fabrication et d'intégration complexes et coûteux. L’amélioration de l’interaction optique non linéaire démontrée dans les matériaux à deux dimensions devrait idéalement être développée parallèlement à la production de matériaux à grande échelle et de haute qualité en 2D, afin de permettre des approches complètement différentes pour la construction de nanodispositifs électriquement accordables. De tels nanodispositifs peuvent faciliter les avancées proposées en métrologie, détection, imagerie, technologie quantique et télécommunications.

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