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Atomically-engineered nonlinear photonics with two-dimensional layered material superlattices

Projektbeschreibung

Neue 2D-Materialien besitzen vielversprechendes Potenzial für die nichtlineare Optik

Nichtlineare Optik, die Untersuchung der Wechselwirkung von Licht und Materie, ist für viele photonische Anwendungen von entscheidender Bedeutung. 2D-van-der-Waals-Übergitter, die aus zwei gestapelten Monoschichten bestehen, bieten eine Alternative zu Einschichtmaterialien für die Entwicklung optischer Nichtlinearitäten. Diese Übergitter können die nichtlinearen optischen Reaktionen von 2D-Materialien erheblich verbessern, indem sie die Länge der Licht-Materie-Wechselwirkung kohärent erhöhen und grundlegend neue physikalische Eigenschaften schaffen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ATOP wird das Potenzial dieser Materialien für die Entwicklung bahnbrechender nichtlinearer photonischer Bauelemente zum Einsatz gebracht, wie z. B. Quellen für die optisch parametrische Erzeugung auf dem Chip, breitbandige Terahertz-Quellen und hochreine Photonenpaar-Emitter. Die daraus gewonnenen photonischen Systeme könnten in der Metrologie, der tragbaren Sensorik und der Quantenkommunikation von großem Wert sein.

Ziel

The project aims at introducing a paradigm shift in the development of nonlinear photonics with atomically-engineered two-dimensional (2D) van der Waals superlattices (2DSs). Monolayer 2D materials have large optical nonlinear susceptibilities, a few orders of magnitude larger than typical traditional bulk materials. However, nonlinear frequency conversion efficiency of monolayer 2D materials is typically weak mainly due to their extremely short interaction length (~atomic scale) and relatively large absorption coefficient (e.g.>5×10^7 m^-1 in the visible range for graphene and MoS2 after thickness normalization). In this context, I will construct atomically-engineered heterojunctions based 2DSs to significantly enhance the nonlinear optical responses of 2D materials by coherently increasing light-matter interaction length and efficiently creating fundamentally new physical properties (e.g. reducing optical loss and increasing nonlinear susceptibilities).
The concrete project objectives are to theoretically calculate, experimentally fabricate and study optical nonlinearities of 2DSs for next-generation nonlinear photonics at the nanoscale. More specifically, I will use 2DSs as new building blocks to develop three of the most disruptive nonlinear photonic devices: (1) on-chip optical parametric generation sources; (2) broadband Terahertz sources; (3) high-purity photon-pair emitters. These devices will lead to a breakthrough technology to enable highly-integrated, high-efficient and wideband lab-on-chip photonic systems with unprecedented performance in system size, power consumption, flexibility and reliability, ideally fitting numerous growing and emerging applications, e.g. metrology, portable sensing/imaging, and quantum-communications. Based on my proven track record and my pioneering work on 2D materials based photonics and optoelectronics, I believe I will accomplish this ambitious frontier research program with a strong interdisciplinary nature.

Finanzierungsplan

ERC-ADG - Advanced Grant

Gastgebende Einrichtung

AALTO KORKEAKOULUSAATIO SR
Netto-EU-Beitrag
€ 2 442 448,00
Adresse
OTAKAARI 1
02150 Espoo
Finnland

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Region
Manner-Suomi Helsinki-Uusimaa Helsinki-Uusimaa
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
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Gesamtkosten
€ 2 442 448,00

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