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Contrôle de la non-linéarité optique: Une nouvelle technique avec une torsion

Des chercheurs soutenus par l’UE développent une nouvelle méthode qui exploite la symétrie accordable dynamiquement des matériaux 2D pour des applications optiques non linéaires.

Technologies industrielles

L’optique non linéaire, l’étude des interactions de la lumière intense avec la matière, joue un rôle important dans les applications optiques comme le traitement des signaux optiques ultrarapides, les commutateurs ultrarapides, les lasers et les capteurs. Grâce à la découverte de nouvelles utilisations de la lumière, l’optique non linéaire favorise les progrès dans des domaines tels que les tests médicaux, la communication et la récupération de l’énergie solaire. Des chercheurs soutenus par les projets QSpec-NewMat et PeSD-NeSL financés par l’UE ont développé une nouvelle méthode pour moduler un processus optique non linéaire important appelé génération de seconde harmonique (GSH). Dans la GSH, également connue sous le nom de doublage de fréquence, deux photons de même fréquence interagissent avec un matériau non linéaire et sont combinés pour produire un nouveau photon qui double l’énergie des photons originaux. Le matériau 2D utilisé par les chercheurs dans ce processus optique était le nitrure de bore hexagonal. «Nos travaux sont les premiers à exploiter la symétrie dynamiquement accordable des matériaux 2D pour des applications optiques non linéaires», a déclaré le professeur associé James Schuck de l’Université de Columbia dans un article publié sur le site web «EurekAlert!». L’étude a été publiée dans la revue «Science Advances».

Application de la twistronique aux propriétés optiques

On a constaté que les propriétés électriques des matériaux 2D changent considérablement en fonction de l’angle que forme leurs couches. Dans leurs travaux, les membres de l’équipe du projet ont démontré que ce concept de rotation ou de torsion d’une couche par rapport à une autre — la twistronique — s’appliquait également aux propriétés optiques. «Nous appelons ce nouveau domaine de recherche “l’optique torsadée”», a fait remarquer James Schuck, co‑auteur de l’étude. «Notre approche de l’optique torsadée démontre que nous pouvons désormais obtenir des réponses optiques non linéaires géantes dans de très petits volumes — des épaisseurs de couche de quelques atomes — permettant, par exemple, la génération de photons intriqués avec une empreinte beaucoup plus compacte et compatible avec les puces. Plus important encore, la réponse est entièrement réglable à la demande.» La plupart des cristaux optiques non linéaires conventionnels présentent des structures rigides, ce qui rend difficile de contrôler leurs propriétés optiques. Notre solution pour obtenir ce contrôle nécessaire a été d’utiliser des cristaux de van der Waals. La faible force intercouche des cristaux facilite la manipulation de l’orientation des cristaux entre les couches. Des films minces de nitrure de bore (connu pour sa faible interaction de van der Waals entre les couches) ont donc été empilés les uns sur les autres à différents angles de torsion.

Résultats

Les chercheurs ont pu régler avec précision la GSH optique avec des dispositifs à micro-rotateurs. Ils ont également pu améliorer considérablement la GSH avec des structures de super-réseau vertical de van der Waals avec de multiples interfaces torsadées. «Nous avons démontré que le signal optique non linéaire évolue en fait avec le carré du nombre d’interfaces torsadées», a observé le premier auteur Kaiyuan Yao de l’Université de Columbia. «Cela augmente la puissance de la réponse non linéaire déjà importante d’une interface unique de plusieurs ordres de grandeur.» La réponse non linéaire améliorée produite à partir de ce processus pourrait indiquer une nouvelle méthode de fabrication atomiquement précise de cristaux optiques non linéaires efficaces. «Nous espérons que cette démonstration apportera une nouvelle tournure au récit en cours visant à exploiter et à contrôler les propriétés des matériaux», conclut James Schuck. Les projets QSpec-NewMat (Quantum Spectroscopy: exploring new states of matter out of equilibrium) et PeSD-NeSL (Photo-excited State Dynamics and Non-equilibrium States under Laser in Van der Waals Stacked Two-dimensional Materials) sont coordonnés par l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, en Allemagne. Le projet QSpec-NewMat se terminera en septembre 2021 et le projet PeSD-NeSL en juin 2022. Pour plus d’informations, veuillez consulter: page web du projet QSpec-NewMat projet PeSD-NeSL

Mots‑clés

QSpec-NewMat, PeSD-NeSL, optique non linéaire, génération de seconde harmonique, matériau 2D, twistronique, torsion optique, photon

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