Het onderzoeksteam identificeert interferentie van tweede harmonischen in 2D-heterobilayers

Sinds de uitvinding van ’s werelds eerste laser – de robijnrode laser – in 1960, heeft de menselijke wens om licht te beheersen zich verspreid naar verschillende industrieën, waaronder telecommunicatie, geneeskunde, gps, optische sensoren en optische computers. Onlangs heeft een POSTECH-onderzoeksteam een ​​stap dichter bij het doel van het beheersen van licht gezet door het identificeren van niet-lineaire optische verschijnselen die optreden in heterobilayers die zijn samengesteld uit tweedimensionale materialen.

Een niet-lineair optisch fenomeen verwijst naar het optreden van licht waarvan de intensiteit niet wordt verdubbeld wanneer de intensiteit van de optische invoer wordt verdubbeld, waarbij de resulterende uitvoer andere frequenties heeft dan de oorspronkelijke invoer. Dit fenomeen is gemakkelijk te begrijpen als je aan elektronen en kernen denkt als veer-verbonden oscillatoren. Wanneer de veer met een constante cyclus wordt bewogen, wordt licht gegenereerd door de oscillatie van elektronen en kernen. Als de veer-trekkracht klein is, wordt alleen licht gevormd met dezelfde frequentie als de uitgeoefende externe kracht, maar wanneer een sterke kracht wordt uitgeoefend, wordt licht met meerdere frequenties geproduceerd. Onder deze staat licht met tweemaal de ingangsfrequentie bekend als ’tweede harmonische generatie’ (SHG) licht. Het fenomeen van secundaire harmonische golven kan optreden in stoffen die niet puntsymmetrisch zijn, en onlangs is ontdekt dat de efficiëntie hoog is in 2D halfgeleiderkristallen zoals molybdeendisulfide (MoS₂) en wolfraamdisulfide (WS₂).

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Sunmin Ryu en Wontaek Kim in het MS / Ph.D geïntegreerde programma in de afdeling Chemie van POSTECH merkte op dat de secundaire harmonische golf geproduceerd door een heterobiliserend materiaal (MoS₂/ WS₂) kon niet worden verklaard door het bestaande model en bevestigde dat het werd veroorzaakt door de SHG-interferentie met verschillende fasen. Het team anticipeerde op het faseverschil in SHG door de resultaten van polariserende spectroscopie van heterolagen die het elliptisch gepolariseerde SHG-licht vertoonden. Het faseverschil direct gemeten door de secundaire harmonische golf interferometer was kwantitatief consistent met de resultaten verkregen met polarisatiespectroscopie, wat hun hypothese bewijst. Bovendien konden DFT-berekeningen deze resultaten ondersteunen.

Tot dusverre zijn SHG-onderzoeken van 2-D-materialen meestal beperkt tot hun intensiteit, maar dit is de eerste keer dat de SHG-fase werd gemeten en er werd aangetoond dat er een verschil in SHG-fase is tussen de twee materialen. Het onderzoek toonde de mogelijkheid aan om de fase van een SHG te sturen.

“Het conventionele onderzoek was gericht op het identificeren van de oriëntatie van 2D-kristalmonsters met behulp van SHG-intensiteit en het regelen ervan door externe stimuli”, merkte professor Sunmin Ryu op, die de studie leidde. Hij voegde eraan toe: “Deze studie verbreedde niet alleen ons begrip van niet-lineaire optische verschijnselen van 2D-materialen, maar opende ook nieuwe mogelijkheden voor niet-lineaire spectroscopische controlemethoden.” Hij concludeerde: “De onderzoeksresultaten zullen naar verwachting een grote bijdrage leveren aan de beheersing van niet-lineaire optische verschijnselen door 2D-materialen te gebruiken om nieuwe fotonen te produceren met tweemaal de frequentie van trillingen en gecontroleerde fase.”