Een draai aan atomaire platen om nieuwe materialen te creëren

De manier waarop licht interageert met natuurlijk voorkomende materialen is goed begrepen in de natuurkunde en materiaalkunde. Maar de afgelopen decennia hebben onderzoekers metamaterialen vervaardigd die op nieuwe manieren met licht interageren, die verder gaan dan de fysieke grenzen die aan natuurlijk voorkomende materialen worden opgelegd.

Een metamateriaal is samengesteld uit reeksen ‘meta-atomen’, die zijn gefabriceerd tot gewenste structuren op de schaal van ongeveer honderd nanometer. De structuur van reeksen meta-atomen maakt nauwkeurige licht-materie-interacties mogelijk. De grote omvang van meta-atomen ten opzichte van gewone atomen, die kleiner zijn dan een nanometer, heeft echter de prestaties van metamaterialen voor praktische toepassingen beperkt.

Nu heeft een samenwerkend onderzoeksteam onder leiding van Bo Zhen van de Universiteit van Pennsylvania een nieuwe aanpak onthuld die atomaire structuren van materiaal rechtstreeks manipuleert door de tweedimensionale arrays in spiraalvormige formaties te stapelen om nieuwe licht-materie-interactie aan te boren. Deze aanpak stelt metamaterialen in staat de huidige technische beperkingen te overwinnen en maakt de weg vrij voor lasers, beeldvorming en kwantumtechnologieën van de volgende generatie. Hun bevindingen waren gepubliceerd in het journaal Natuur Fotonica.

“Het is vergelijkbaar met het stapelen van een pak kaarten, maar je draait elke kaart een beetje voordat je deze aan de stapel toevoegt”, zegt Zhen, senior auteur van het artikel en assistent-professor aan de School of Arts & Sciences van Penn. “Deze draai verandert de manier waarop het hele ‘dek’ reageert op licht, waardoor het nieuwe eigenschappen kan vertonen die individuele lagen, of traditionele stapels, niet bezitten.”

Bumho Kim, postdoctoraal onderzoeker in het Zhen Lab en eerste auteur van het artikel, legt uit dat door het stapelen van lagen van een materiaal genaamd wolfraamdisulfide (WS₂) en door ze onder bepaalde hoeken te draaien, introduceerden ze zogenaamde schroefsymmetrieën.

“De magie ligt in het beheersen van de twist”, legt Kim uit. “Als je de lagen onder specifieke hoeken draait, verander je de symmetrie van de stapel. Symmetrie verwijst in deze context naar hoe bepaalde eigenschappen van materialen, zoals hoe ze omgaan met licht, worden beperkt door hun ruimtelijke ordening.”

Door deze opstelling op atomaire schaal aan te passen, hebben de onderzoekers de regels van wat deze materialen kunnen doen verbogen, en door de draaiing over meerdere lagen WS te controleren₂creëerden ze zogenaamde 3D-niet-lineaire optische materialen.

Kim legt uit dat een enkele laag WS₂ heeft bijzondere symmetrieën, die bepaalde soorten interacties met licht mogelijk maken, waarbij twee fotonen met een bepaalde frequentie kunnen interageren met het materiaal om een ​​nieuw foton te produceren met een dubbele frequentie, een proces dat bekend staat als tweede harmonische generatie (SHG).

“Maar wanneer twee lagen WS₂ zijn gestapeld met een draaihoek die verschilt van de conventionele 0° of 180°, zijn alle spiegelsymmetrieën die aanwezig waren in de enkele laag verbroken”, zegt Kim. “Deze gebroken spiegelsymmetrie is cruciaal omdat het leidt tot een chirale respons – iets geheel nieuw en niet te zien in de afzonderlijke lagen.”

De onderzoekers leggen uit dat de chirale respons significant is omdat het een coöperatief effect is dat voortkomt uit de koppeling tussen de elektronische golffuncties van de twee lagen, een fenomeen dat alleen kan optreden in verwrongen grensvlakken.

Een interessante eigenschap, zo voegt Zhen toe, is dat het teken van de chirale niet-lineaire respons omdraait wanneer de draaihoek wordt omgekeerd. Dit demonstreert directe controle over de niet-lineaire eigenschappen door simpelweg de draaihoek tussen lagen te veranderen – een niveau van afstembaarheid dat revolutionair zou kunnen zijn voor het ontwerpen van optische materialen met aangepaste reacties.

Terwijl ze van dubbellagen naar drielagen en verder gingen, observeerden de onderzoekers hoe de SHG-reacties op het grensvlak constructief of destructief kunnen interfereren, afhankelijk van de draaihoeken tussen de lagen.

In een stapel met lagen in veelvouden van vier, “tellen de chirale reacties van alle interfaces op, terwijl de reacties in het vlak elkaar opheffen”, zegt Kim. “Dit leidt tot een nieuw materiaal dat alleen chirale niet-lineaire gevoeligheden vertoont. Dit resultaat zou niet kunnen worden bereikt zonder het nauwkeurig stapelen en draaien van de lagen.”

De onderzoekers ontdekten dat schroefsymmetrie een nieuwe selectiviteit mogelijk maakt voor het elektrische veld van het licht in het materiaal, een deel van het licht dat de richting en intensiteit ervan bepaalt. Kim merkt op hoe ze ontdekten dat schroefsymmetrie een nieuw soort lichtopwekking mogelijk maakt in gedraaide vier- en acht- lagenstapels, tegen-circulair gepolariseerde derde harmonische generatie, waarbij licht in de tegenovergestelde spiraalrichting reist – een kwaliteit die niet wordt gezien in de samenstellende WS₂ monolagen.

“Door een kunstmatige schroefsymmetrie toe te voegen, kunnen we niet-lineaire optische circulaire selectiviteit op nanoschaal controleren”, zegt Kim.

Bij het experimenteel testen van deze techniek verifieerden de onderzoekers de voorspelde niet-lineariteiten die inherent zijn aan verschillende configuraties van gedraaide WS₂ stapels. Het team observeerde nieuwe niet-lineaire reacties en circulaire selectiviteit in gedraaide WS₂ stapels die niet kunnen worden gevonden in natuurlijk voorkomende WS₂een openbaring die diepgaande implicaties zou kunnen hebben op het gebied van niet-lineaire optica.