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May 12, 2023

Pesquisadores aprimoram tecnologia para gerar altos harmônicos em metasuperfícies nanoestruturadas não lineares

18 de maio de 2023 Este artigo

18 de maio de 2023

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pela Universidade de Paderborn

Cristais naturais e artificiais podem alterar a cor espectral da luz, o que é conhecido como efeito óptico não linear. A conversão de cores é usada para inúmeras aplicações, incluindo microscopia não linear para estruturas biológicas e exames de materiais, fontes de luz LED e lasers em comunicações ópticas e em fotônica e suas tecnologias resultantes, como a computação quântica. Pesquisadores da Paderborn University descobriram agora uma maneira de melhorar o processo físico subjacente ao fenômeno. Os resultados foram publicados na revista Light: Science & Applications.

"O processo é baseado no potencial anarmônico dos átomos de cristal e muitas vezes leva a uma multiplicação precisa da frequência da luz, conhecida como geração de 'harmônicos mais altos' - semelhantes aos harmônicos ouvidos quando a corda de um instrumento musical vibra", disse o físico de Paderborn, professor Cedrik Meier explica.

Embora o efeito ocorra naturalmente em muitos cristais, geralmente é extremamente fraco. Diante disso, tem havido várias abordagens para aumentar o efeito, por exemplo, combinando diferentes materiais e suas estruturas em escala micro e nano. A Paderborn University conduziu pesquisas intensivas e bem-sucedidas nesta área nas últimas décadas.

Um ponto focal desta pesquisa em fotônica são os metamateriais e, em particular, as metasuperfícies. Isso envolve a aplicação de elementos estruturados na faixa nanométrica a um substrato fino, que então interage com a luz recebida e, por exemplo, produz ressonâncias ópticas. Com maior duração e maior foco, a luz pode gerar harmônicos mais altos com mais eficiência.

Uma colaboração interdisciplinar vê os grupos de pesquisa dirigidos pelo professor Cedrik Meier (Nanophotonics & Nanomaterials), Professor Thomas Zentgraf (Ultrafast Nanophotonics) e Professor Jens Förstner (Theoretical Electrical Engineering) na Paderborn University trabalhando juntos como parte da pesquisa colaborativa "Tailored Nonlinear Photonics" Center/Transregio 142 para desenvolver uma abordagem inovadora para gerar harmônicos mais altos com mais eficiência. Usando aplicações especificamente proporcionadas de cilindros elípticos microscopicamente pequenos feitos de silício, eles podem tirar proveito do efeito Fano – um mecanismo físico particular em que múltiplas ressonâncias se intensificam.

Os pesquisadores inicialmente usaram simulação digital para determinar os parâmetros geométricos ideais e investigaram a física subjacente. Eles então criaram nanoestruturas usando processos de litografia de última geração e realizaram exames ópticos. Eles foram capazes de provar por meio de teoria e experimentação que isso permite que terceiros harmônicos – ou seja, luz com o triplo da frequência da luz incidente – sejam gerados com muito mais eficiência do que com estruturas conhecidas anteriores.

Mais Informações: David Hähnel et al, Um mecanismo super-fano multimodo para geração aprimorada de terceiro harmônico em metasuperfícies de silício, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01134-1

Informações do jornal:Luz: ciência e aplicações

Fornecido pela Universidade de Paderborn