«Metasurfaces» σε δισδιάστατους κρυστάλλους ενισχύουν τα μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα στη νανοκλίμακα

Μια νέα τεχνική εγχάραξης δημιουργεί metasurfaces πάνω σε δισδιάστατα υλικά, ενισχύοντας εντυπωσιακά τις μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες τους.

Τον Ιανουάριο, η ομάδα του Jim Schuck στο Columbia Engineering είχε ήδη παρουσιάσει μια μέθοδο παραγωγής ζευγών διεμπλεγμένων φωτονίων από έναν κρύσταλλο πάχους μόλις 3,4 μικρομέτρων.

Τώρα, σε νέα δημοσίευση στο «Nature Photonics», οι μηχανικοί του Columbia συρρικνώνουν την πλατφόρμα αυτή στα 160 νανόμετρα, αξιοποιώντας τεχνητές γεωμετρίες metasurfaces που χαράσσονται σε υπερλεπτούς κρυστάλλους.

Όπως εξηγεί η Chiara Trovatello, «έχουμε καθιερώσει μια επιτυχημένη συνταγή για να διαμορφώσουμε εξαιρετικά λεπτούς κρυστάλλους στο νανοκλίμακα, ενισχύοντας τη μη γραμμικότητα, χωρίς να χάνουμε το υπο-κυματικό τους πάχος».

Από τις στοιβάδες στις επιφάνειες

Η ομάδα του Schuck εργάζεται με διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων (TMDs), τα οποία μπορούν να απομονωθούν σε ατομικά λεπτές στοιβάδες και να συναρμολογηθούν σε στοίβες με ειδικές ιδιότητες. Παρά την υψηλή μη γραμμικότητά τους, η υπερβολικά μικρή τους διάσταση τα καθιστούσε λιγότερο αποδοτικά σε σχέση με συμβατικούς κρυστάλλους, όπως αυτούς στους laser pointers. Όμως για τις κβαντικές τεχνολογίες, το μέγεθος είναι κρίσιμο, καθώς οι πηγές qubits σήμερα καταλαμβάνουν εκατοστά και τα κβαντικά συστήματα ολόκληρα δωμάτια. «Για να γίνουν οι κβαντικές τεχνολογίες πραγματικά κλιμακώσιμες, πρέπει να μικρύνουμε τα μεγέθη», σημειώνει η Trovatello.

Στην προηγούμενη εργασία τους, χρησιμοποίησαν periodic poling σε στρώσεις MoS₂ για βελτιστοποίηση της παραγωγής φωτονίων. Στη νέα δημοσίευση παρουσιάζουν μια συμπληρωματική πλατφόρμα: TMDs με εγχαραγμένα metasurfaces.

Μια απλή τεχνική με εντυπωσιακή ενίσχυση φωτός

Οι metasurfaces δίνουν τη δυνατότητα εισαγωγής ιδιοτήτων που δεν υπάρχουν φυσικά στο υλικό. Ο διδακτορικός Zhi Hao Peng χάραξε επαναλαμβανόμενες γραμμές σε φολίδα MoS₂, δημιουργώντας νέες περιοδικές γεωμετρίες. «Ο σχεδιασμός μας ενισχύει τα μη γραμμικά φαινόμενα πολύ περισσότερο από τις παραδοσιακές γραμμικές τεχνικές βελτιστοποίησης», εξηγεί.

Το αποτέλεσμα ήταν ενίσχυση της δευτερης αρμονικής γενιάς κατά σχεδόν 150 φορές σε σχέση με μη εγχαραγμένα δείγματα. Με αυτή τη διαδικασία βελτιστοποιημένη, το επόμενο βήμα είναι η αντίστροφη λειτουργία: ο διαχωρισμός ενός φωτονίου σε δύο διεμπλεγμένα.

Σημαντικό είναι ότι η μέθοδος του Peng είναι πιο οικονομική και απλούστερη από προηγούμενες τεχνικές εγχάραξης. Όπως λέει ο Schuck, «ο Peng βρήκε μια τεχνική που είναι παραπλανητικά απλή, επιτρέποντάς μας να φτιάξουμε ολοένα πιο περίπλοκα σχέδια με απλά cleanroom εργαλεία».

Από τη θεωρία στα ολοκληρωμένα κβαντικά κυκλώματα

Οι θεωρητικοί συνεργάτες Andrea Alu και Michele Cortufo καθόρισαν τα μοτίβα metasurface που θα μπορούσαν να ενισχύσουν αποτελεσματικά τη μη γραμμική απόκριση των TMDs. «Το μόνο που χρειάζεται είναι να μετατρέψουμε ένα επίπεδο φιλμ σε περιοδικά διαμορφωμένες γραμμές», εξηγεί ο Cortufo.

Η νέα συσκευή είναι από τις πρώτες που συνδυάζουν metasurfaces με 2D υλικά σε τόσο ισχυρό βαθμό. «Οι μη τοπικότητες που εισάγουμε ανοίγουν δρόμο για πρωτοφανείς μη γραμμικές αποδόσεις», αναφέρει ο Alu.

Οι παραγόμενες συχνότητες βρίσκονται στην τηλεπικοινωνιακή περιοχή, γεγονός που καθιστά τα φωτόνια εύκολα συμβατά με υπάρχοντα δίκτυα. Με τόσο μικρό αποτύπωμα, οι ερευνητές θεωρούν πλέον εφικτό το όραμα της πλήρως on-chip κβαντικής φωτονικής.