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Controllare la non linearità ottica: una nuova tecnica con un tocco in più

Alcuni ricercatori sostenuti dall’UE stanno sviluppando un metodo innovativo che sfrutta la simmetria regolabile dinamicamente dei materiali bidimensionali per applicazioni ottiche non lineari.

Tecnologie industriali

L’ottica non lineare, ovvero lo studio del modo in cui si verifica l’interazione della luce intensa con la materia, svolge un ruolo fondamentale nelle applicazioni ottiche, quali l’elaborazione del segnale ottico ultraveloce, gli interruttori ultraveloci, i laser e i sensori. Tramite la scoperta di nuovi impieghi della luce, l’ottica non lineare sta favorendo i progressi in alcuni ambiti, tra cui esami clinici, comunicazione e raccolta dell’energia solare. Al momento, i ricercatori sostenuti dai progetti QSpec-NewMat e PeSD-NeSL, finanziati dall’UE, hanno elaborato un metodo inedito per la modulazione di un importante processo ottico non lineare, denominato generazione di seconda armonica. Nel caso della generazione di seconda armonica, nota anche come raddoppio della frequenza, due fotoni della stessa frequenza interagiscono con un materiale non lineare e si combinano per dare origine a un nuovo fotone con energia doppia rispetto a quella dei fotoni di partenza. Il materiale bidimensionale utilizzato dai ricercatori per questo processo ottico era il nitruro di boro esagonale. «Il nostro lavoro è il primo ad avvalersi della simmetria regolabile dinamicamente dei materiali bidimensionali per applicazioni ottiche non lineari», ha affermato James Schuck, prof. associato presso la Columbia University in un articolo pubblicato sul sito web «EurekAlert!». Lo studio è stato pubblicato sulla rivista «Science Advances».

Applicare la twistronica alle proprietà ottiche

Si è riscontrato che le proprietà elettriche dei materiali bidimensionali cambiano notevolmente a seconda dell’angolo tra i loro strati. Nel corso del loro lavoro, i membri del gruppo di ricerca hanno dimostrato che questo concetto di rotazione o di torsione di uno strato rispetto all’altro, ovvero la twistronica, valeva anche per le proprietà ottiche. «Chiamiamo questo nuovo ambito di ricerca “twistottica”», ha osservato il coautore dello studio, il prof. associato Schuck. «Il nostro approccio twistottico attesta che ora è possibile ottenere risposte ottiche non lineari enormi in volumi di dimensioni molto ridotte, di spessori di appena qualche strato atomico, il che permette, ad esempio, la generazione di fotoni intrecciati con un’impronta molto più compatta e compatibile con i microprocessori. Inoltre, la risposta è interamente regolabile su richiesta». I cristalli ottici non lineari più tradizionali sono caratterizzati da strutture rigide, rendendo difficile il controllo delle proprietà ottiche del materiale. La soluzione adottata dal gruppo per l’acquisizione di questo controllo necessario si è basata sui cristalli di van der Waals. La debole resistenza degli strati intermedi dei cristalli agevola la manipolazione dell’orientamento dei cristalli tra gli strati. Pertanto, sottili pellicole di nitruro di boro, noto per la sua debole interazione di van der Waals tra gli strati, sono state impilate le une sulle altre a diversi angoli di torsione.

Risultati

I ricercatori sono riusciti a regolare con precisione la generazione di seconda armonica ottica con dispositivi micro-rotatori. Inoltre, sono stati in grado di potenziare in maniera considerevole la generazione di seconda armonica con strutture a super-reticolo verticali di van der Waals con varie interfacce intrecciate. «Abbiamo comprovato l’effettiva scalabilità del segnale ottico non lineare in presenza del quadrato del numero di interfacce intrecciate», ha osservato il primo autore Kaiyuan Yao della Columbia University. «Quindi, ciò rende ancora più forte la risposta non lineare già ingente di una singola interfaccia di ulteriori ordini di grandezza». La risposta non lineare migliorata prodotta da questo processo potrebbe condurre a un nuovo metodo di produzione atomicamente preciso per la realizzazione di cristalli ottici non lineari efficienti. «Ci auguriamo che questa dimostrazione fornisca una svolta inedita nello sviluppo finalizzato allo sfruttamento e al controllo delle proprietà dei materiali», ha concluso il prof. associato Schuck. I progetti QSpec-NewMat (Quantum Spectroscopy: exploring new states of matter out of equilibrium) e PeSD-NeSL (Photo-excited State Dynamics and Non-equilibrium States under Laser in Van der Waals Stacked Two-dimensional Materials) sono coordinati dall’Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, con sede in Germania. Il progetto QSpec-NewMat volgerà al termine a settembre 2021, mentre il progetto PeSD-NeSL si concluderà a giugno 2022. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto QSpec-NewMat progetto PeSD-NeSL

Parole chiave

QSpec-NewMat, PeSD-NeSL, ottica non lineare, generazione di seconda armonica, materiale bidimensionale, twistronica, twistottica, fotone

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