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Oct 22, 2023

Investigadores que mejoran la tecnología para generar altos armónicos en metasuperficies nanoestructuradas no lineales

18 de mayo de 2023 Este artículo

18 de mayo de 2023

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por la Universidad de Paderborn

Los cristales naturales y artificiales pueden cambiar el color espectral de la luz, lo que se conoce como efecto óptico no lineal. La conversión de color se utiliza para numerosas aplicaciones, incluida la microscopía no lineal para estructuras biológicas y exámenes de materiales, fuentes de luz LED y láseres en comunicaciones ópticas, y en fotónica y sus tecnologías resultantes, como la computación cuántica. Investigadores de la Universidad de Paderborn ahora han encontrado una manera de mejorar el proceso físico que subyace al fenómeno. Los resultados han sido publicados en la revista Light: Science & Applications.

"El proceso se basa en el potencial anarmónico de los átomos de cristal y, a menudo, provoca una multiplicación precisa de la frecuencia de la luz, conocida como generación de 'armónicos superiores', similar a los sobretonos que se escuchan cuando vibra la cuerda de un instrumento musical", dijo el profesor Cedrik, físico de Paderborn. Meier explica.

Aunque el efecto ocurre naturalmente en muchos cristales, a menudo es extremadamente débil. Dado esto, ha habido varios enfoques para aumentar el efecto, por ejemplo, combinando diferentes materiales y sus estructuras a escala micro y nano. La Universidad de Paderborn ha llevado a cabo una investigación intensiva y exitosa en esta área en las últimas décadas.

Un punto focal de esta investigación en fotónica son los metamateriales y, en particular, las metasuperficies. Esto implica la aplicación de elementos estructurados en el rango de nanómetros a un sustrato delgado, que luego interactúa con la luz entrante y, por ejemplo, produce resonancias ópticas. Con una mayor duración y un mayor enfoque, la luz puede generar armónicos más altos de manera más eficiente.

Una colaboración interdisciplinaria ve a los grupos de investigación dirigidos por el profesor Cedrik Meier (nanofotónica y nanomateriales), el profesor Thomas Zentgraf (nanofotónica ultrarrápida) y el profesor Jens Förstner (ingeniería eléctrica teórica) en la Universidad de Paderborn trabajando juntos como parte de la investigación colaborativa "Fotónica no lineal a medida". Center/Transregio 142 para desarrollar un enfoque innovador para generar armónicos más altos de manera más eficiente. Mediante el uso de aplicaciones específicamente proporcionadas de cilindros elípticos microscópicamente pequeños hechos de silicio, pueden aprovechar el efecto Fano, un mecanismo físico particular donde múltiples resonancias se intensifican entre sí.

Los investigadores utilizaron inicialmente la simulación digital para determinar los parámetros geométricos ideales e investigaron la física subyacente. Luego crearon nanoestructuras utilizando procesos de litografía de última generación y realizaron exámenes ópticos. Pudieron demostrar a través de la teoría y la experimentación que esto permite que los terceros armónicos, es decir, la luz con el triple de la frecuencia de la luz entrante, se generen de manera mucho más eficiente que con las estructuras conocidas anteriores.

Más información: David Hähnel et al, Un mecanismo superfano multimodo para la generación mejorada de un tercer armónico en metasuperficies de silicio, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01134-1

Información del diario:Luz: ciencia y aplicaciones

Proporcionado por la Universidad de Paderborn