پاسخ نوری غیرخطی مرتبه سوم گرافن با تنظیم‌پذیری الکتریکی

تهیه و تنظیم: گروه تخصصی پارس اپتیک

برای تنظیم‌کردن پتانسیل شیمیایی گیت از روش ژل-یونی با بکارگیری ترانزیستور اثر میدان متشکل از گرافن ۲ بعدی با شبکه شش‌گوش استفاده می‌شود. شماتیک فوق، پاسخ نوری خطی و غیرخطی گرافن را در دمای اتاق اندازه‌گیری می‌کند و پتانسیل شیمیایی (E_f) را برحسب ولتاژ گیت (V_g) مورد بررسی قرار می‌دهد [۱].

به گزارش گروه تخصصی ParsOptics، امروزه تحقیق و پژوهش بر روی مواد دوبعدی با توجه به پتانسیل آن‌ها در مدولاسیون نوری که می‌تواند موجب ارتقاءعملکرد فناوری‌های موجود و توسعه کاربردهای آن‌ها شود، شدت یافته است. گرافن بهترین نوع شناخته‌شده مواد دوبعدی و مشتق‌شده از گرافیت سه‌بعدی است. گرافن از یک تک‌لایه اتم‌های کربن به صورت شبکه منظم دوبعدی شش‌گوش تشکیل شده‌است که می‌تواند تعاملات فوق‌العاده‌ای با نور در پهنای باند گسترده داشته باشد. همچنین، قادر است تا در محدوده طیفی بسیار گسترده عمل کند؛ این قابلیت‌ها، گرافن را برای تولید نسل جدید ادوات فوتونیکی و اپتوالکترونیکی مناسب ساخته است. خواص الکترونیکی منحصر‌به‌فرد گرافن از مخروط‌های دیراک ناشی می‌شود. ساختار باند الکترونیکی گرافن میزبان حامل‌های با جرم مؤثر صفر است که به اصطلاح ﻓﺮﻣﻴﻮن‌ﻫﺎی دﻳﺮاک ﺑﺪون ﺟﺮم نامیده می‌شود؛ این ویژگی در مواد دوبعدی وجود دارد. در حال حاضر دانشمندان مواد در مرحله آزمایشگاهی دستیابی به مشخصات پاسخ نوری غیرخطی گرافن برای دستیابی به فناوری برتر هستند.

اپتیک غیرخطی توسط آقای پیتر فرانکن و همکارانش با انجام یک آزمایش توسط یک لیزر روبین پالسی، در سال ۱۹۶۱ متولد شد؛ آن‌ها آثار غیرخطی تولید هارمونیک دوم (SHG، دو برابر شدن فرکانس) را برای اولین بار مشاهده کردند. تا به امروز کنترل دینامیکی اپتیک غیرخطی در حد تحقیقات آزمایشگاهی و به عنوان یک ابزار طیف‌سنجی باقی مانده است.

اکنون در سال ۲۰۱۸ آقای جیانگ و همکارانش در Nature Photonics تولید هارمونیک سوم (THG، سه برابر شدن فرکانس) تنظیم‌پذیر را در گرافن با استفاده از ولتاژ الکتریکی گیت گزارش کرده‌اند. این تحقیق ارزنده موجب توسعه و ایجاد کاربردهای بسیار زیادی خواهد شد. تنظیم‌پذیری گیت و مکانیسم اپتیک غیرخطی گرافن و سایر مواد دوبعدی مشابه، موجب پیدایش چیپ‌های فوتونیکی و اپتوالکترونیکی سازگار با نیمه‌هادی‌های CMOS برای تولید ادوات با سرعت پردازش بسیار بالا خواهد شد. در سال‌های قبل، تنظیم الکتریکی تولید هارمونیک دوم در سایر مواد دوبعدی مانند دی‌سلنید تنگستن (WSe₂) با اکسایتون‌ها با پهنای طیفی محدود گزارش شده است. تنظیم کردن فرکانس‌های ورودی یا پتانسیل شیمیایی (E_f) گرافن به صورت آزمایشگاهی می‌تواند اطلاعات دقیق‌تری از پاسخ نوری غیرخطی مرتبه سوم ارائه دهد که تاکنون به صورت نظریه پیشنهاد شده است.

فرآیند غیرخطی مرتبه سوم به ترکیب چهارموج نیز مشهور است در این فرآیند سه میدان با هم ترکیب شده و میدان چهارم را تولید می‌کنند. در نتایج تحقیق آقای جیانگ از قابلیت تنظیم پتانسیل شیمیایی گرافن و خاموش یا روشن کردن الکتریکی انتقالات رزونانسی تک‌فوتون و چندفوتون توسط گیت ژل-یونی (دوپینگ کنترل شده گیت) برای یک مجموعه از فرکانس ورودی استفاده شده است. برای درک بهتر فرآیندهای پاسخ نوری غیرخطی مرتبه سوم در گرافن و مواد دیراکی مشابه گرافن، نتایج آزمایشگاهی به خوبی با محاسبات عددی تطابق یافته است.

پهنای باند کاری در THG با تنظیم‌پذیری گیت از ۱۳۰۰ نانومتر تا ۱۶۵۰ نانومتر است که شامل محدوده طیفی مخابرات فیبر نوری در ۱۵۵۰ نانومتر نیز می‌شود. چنین پهنای باند کاری وسیع حاصل از توزیع انرژی فرمیون دیراک گرافن است. مشاهدات مشابه، تحقیق منتشرشده در مجله Nature Nanotechnology است که به صورت الکتریکی، میزان بازده THG گرافن (THGE) و به همین ترتیب مشخصات فرمیون‌های بی‌جرم دیراک را کنترل کرده است. به طور کلی، مشاهده آزمایشگاهی غیرخطی های اپتیکی گرافن توسط تنظیم‌پذیری گیت، یک رویکرد جدید در ساخت ابزارهای اپتیک غیرخطی با تنظیم‌پذیری الکتریکی ایجاد خواهد کرد.

شماتیک آثار چندفوتونی در فرمیون‌های دیراک گرافن: افزایش پتانسیل شیمیایی |E_f| می‌تواند یک فوتون (E_f| > 1/2ħω_۰|)، دو فوتون (E_f| > ħω_۰|) و سه فوتون (E_f| > 3/2ħω_۰|)  را در انتقالات درون باندی به علت انسداد پاولی خاموش کند. انتقال درون باندی دو فوتون باعث ایجاد حساسیت مرتبه سوم اپتیک غیرخطی [⁽χ^(۳] در جهت مثبت می‌شود؛ در صورتی که در حالت انتقال درون باندی یک و سه فوتونی این امر در جهت منفی رخ می‌دهد. فلش‌های قرمز بیان‌گر فوتون‌های ورودی در فرکانس ω_۰ و فلش‌های آبی بیان‌گر فوتون‌های هارمونیک سوم در فرکانس ۳ω_۰ است [۲].

به‌عنوان مثال اتصالات الکترونیکی (کابل‌های مسی) به دلیل محدودیت‌های کیفی دارای تلفات پهنای باند، شتاب کم در پردازش اطلاعات مورد نیاز برای رسانه‌های جاری نظیر ویدیوهای اینترنتی، پردازش ابری و اینترنت اشیاء هستند. بنابراین یک نیاز رشد جدی به منظور تنظیم دقیق نور و توسعه آن به صورت فشرده، مقرون‌به‌صرفه، اتصالات اپتیکی با کیفیت بسیار بالا برای پهنای باند بیشتر و تلفات کم وجود دارد.

قطعا تحقیقات آینده به دنبال بهبود آثار مشاهده‌شده با رویکردهای مختلفی همچون مجتمع‌سازی موجبر/فیبر و رزوناتورهای نوری است. به علاوه پلاریتون‌های مختلف و فرامواد فوتونیکی می‌توانند موجب بهبود محلی و بکارگیری غیرخطی‌های نوری در مواد دوبعدی شده تا پلاسمون‌های سطحی را ایجاد کنند. بدین‌وسیله ما با استفاده از راهکارهای نوری پیشرفته خواهیم توانست به مقابله با چالش‌های پیش‌بینی‌شده دستگاه‌های نانوفوتونیکی و نانوفیزیکی بپردازیم.

روش‌های بهبود و بکارگیری پاسخ‌های نوری غیرخطی در مواد دوبعدی: ۱)کاواک بلور فوتونی، ۲) رزوناتور میکرودیسک، ۳) رزوناتور میکرورینگ با تنظیم‌پذیری الکتریکی، ۴) ساختار پلاسمونیک. فلش‌های قرمز بیان‌گر فوتون‌های ورودی و فلش‌های آبی و سبز بیان‌گر فوتون‌های تولیدشده در فرکانس‌های مختلف هستند [۲].

علم می‌تواند توسط سایر فرآیندهای اپتیک غیرخطی شامل تولید مراتب بالاتر هارمونیک گسترش یابد. فناوری موجود با بلورهای سنتی دارای محدودیت‌های فنی برای تحقق کاربردهای اپتوالکترونیک است؛ این محدودیت‌ها شامل حساسیت غیرخطی نوری بسیار کوچک و پیچیدگی و گران‌قیمت بودن روش‌های ساخت و مجتمع‌سازی آن‌ها است. بهبود رخدادهای غیرخطی در مواد دوبعدی باید در کنار تولید مواد دوبعدی در مقیاس بزرگ و با کیفیت بالا توسعه یابد تا بتوان با استفاده از آن‌ها به روش‌های کاملا متفاوتی برای ساخت ادوات نانو با تنظیم‌پذیری الکتریکی دست یافت. چنین نانوساختارهایی ممکن است موجب تسهیل پیشرفت‌های علوم مترولوژی، اندازه‌گیری و سنجش، تصویربرداری، فناوری کوانتومی و مخابرات شوند.

مراجع:

[۱]  Jiang et al., "Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene", Nature Photonics, vol. 12, pp 430-436 (2018).
[۲]  Zhipei, Sun, "Electrically tuned nonlinearity", Nature Photonics, vol. 12, pp 383-385 (2018).