นักวิจัยในสหรัฐฯ ได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุ 2 มิติสามารถใช้เพื่อสร้างการสร้างฮาร์มอนิกที่สองแบบออปติคัลที่ปรับได้ พวกเขาทำได้โดยการหมุนชั้นของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมที่สัมพันธ์กัน ทำให้เกิดการตอบสนองทางแสงที่มีประสิทธิภาพและควบคุมได้ นักวิจัยกล่าวว่าสิ่งนี้อาจมีข้อดีในการใช้งานที่ใช้เลเซอร์และอาจเป็นวิธีที่กะทัดรัดในการสร้างโฟตอนพัวพันสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัมและการคำนวณ
การแปลงความถี่แสงเป็นกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้น
ซึ่งใช้วัสดุเพื่อสร้างแสงที่มีสีหรือความถี่ต่างกันไปยังอินพุตนั้น สิ่งนี้สามารถนำไปใช้เพื่อสร้างแสงที่ความถี่ซึ่งไม่มีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่สะดวก และใช้สำหรับการใช้งานหลายอย่าง เช่น ควอนตัมโฟโตนิกส์ การถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูง และการตรวจจับด้วยแสง การสร้างฮาร์มอนิกที่สองเป็นการแปลงความถี่ทั่วไปโดยที่โฟตอนอินพุตสองตัวรวมกันเพื่อผลิตโฟตอนหนึ่งตัวที่มีพลังงานเป็นสองเท่า
ตัวอย่างเช่น ตัวชี้เลเซอร์สีเขียวที่แพร่หลาย ใช้การสร้างฮาร์มอนิกที่สองเพื่อความถี่เลเซอร์อินฟราเรดคู่เป็นสีเขียว ซึ่งง่ายกว่าและถูกกว่าการผลิตเลเซอร์สีเขียว แต่เช่นเดียวกับกระบวนการทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นส่วนใหญ่ มันอาศัยคริสตัล โครงสร้างที่แข็งแรงของคริสตัลทำให้การควบคุมสัญญาณเอาต์พุตและการเปลี่ยนแปลงด้านใดๆ ของสัญญาณทำได้ยาก เนื่องจากคุณไม่สามารถปรับคุณสมบัติทางแสงของสัญญาณได้อย่างง่ายดาย “ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการทำให้ [ตัวชี้เลเซอร์สีเขียว] เป็นเฉดสีเขียวที่แตกต่างกัน นั่นคงเป็นเรื่องยากมาก” James Schuckวิศวกรเครื่องกลแห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียอธิบาย
นอกจากการปรับความถี่เอาต์พุตของการตอบสนอง
การสร้างฮาร์มอนิกที่สองแล้ว คุณยังอาจต้องการมอดูเลตเพื่อให้สว่างขึ้นหรือหรี่ลง คุณสามารถทำได้โดยการปรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ แต่ควรมีแหล่งกำเนิดที่คงที่และปรับการตอบสนองที่ไม่เป็นเชิงเส้นของวัสดุด้วยตัวมันเอง เอาต์พุตยังสามารถมอดูเลตได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้ากับคริสตัลหรือกดด้วยพัลส์เลเซอร์ที่เร็วมาก
อย่างไรก็ตาม Shuck และเพื่อนร่วมงานของเขาสงสัยว่าจะสามารถสร้าง Second-Harmonic เจเนอเรชันที่สองที่ปรับได้ได้ดีขึ้นโดยใช้วิธีการที่พัฒนาขึ้นสำหรับ “twistronics” ซึ่งเป็นเทคนิคที่วัสดุ 2D สองชั้นบิดหรือหมุนโดยสัมพันธ์กัน การหมุนครั้งนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ โดยนักวิจัยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับผลกระทบที่มีต่อตัวนำยิ่งยวดและฉนวน “ไม่ใช่การก้าวกระโดดครั้งใหญ่สำหรับเราที่จะพูดได้ดีว่าคุณอาจเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงด้วย” Shuck กล่าว
ในงานที่อธิบายไว้ในScience Advancesนักวิจัยได้หมุนชั้นของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมเพื่อให้ได้การสร้างฮาร์มอนิกที่สองที่ปรับแต่งได้สูง พวกเขาพบว่าเทคนิคนี้ช่วยให้พวกเขาปรับความเข้มของเอาต์พุตของรุ่นฮาร์มอนิกที่สองที่ใหญ่กว่าที่ทำได้ 10 เท่าโดยใช้พัลส์ไฟฟ้าหรือเลเซอร์ที่ใช้กับคริสตัลออปติคัล ความสามารถในการปรับได้สูงนี้ยังคงมีอยู่ในช่วงความถี่กว้างในสเปกตรัมที่มองเห็นได้
ในการหมุนโบรอนไนไตรด์สองชั้นที่สัมพันธ์กัน นักวิจัยได้แกะสลักชั้นบนสุดให้มีรูปร่างเหมือนฟันเฟืองหรือไมโครโรเตอร์ จากนั้นจึงใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม (AFM) เพื่อดันและเลื่อนชั้นบนสุดนี้ ซึ่งช่วยให้พวกเขาปรับความสมมาตรของเลเยอร์แบบไดนามิกได้ โดยปรับการตอบสนองทางแสง
แผนผังการทดลอง
คริสตัลโบรอนไนไตรด์ถูกแกะสลักเป็นรูปทรงไมโครโรเตอร์และดันด้วยทิป AFM (มารยาท: Nathan R Finney และ Sanghoon Chae/Columbia Engineering)
นักวิจัยได้ตั้งชื่อเทคนิคนี้ว่า “twistoptics” แนวคิดนี้ใช้ได้กับวัสดุ 2D อื่นๆ อีกมากมาย Shuck กล่าว อย่างไรก็ตาม โบรอนไนไตรด์นั้นดีเป็นพิเศษ เนื่องจากสามารถสร้างการตอบสนองของการสร้างฮาร์มอนิกที่สองในช่วงความถี่อินพุตที่หลากหลาย
Shuck บอกPhysics Worldว่าสามารถใช้ twistoptics เพื่อสร้างโฟตอนที่พันกันสำหรับการใช้งานในควอนตัมออปติกและข้อมูลควอนตัม กระบวนการนี้โดยพื้นฐานแล้วเป็นการย้อนกลับของการสร้างฮาร์มอนิกที่สอง โฟตอนพลังงานสูงถูกส่งไปยังวัสดุและแบ่งออกเป็นสองโฟตอน และโฟตอนเหล่านี้พัวพันกับควอนตัม
มีคริสตัลที่สามารถแปลงลงและสร้างโฟตอนที่พันกัน แต่พวกมันค่อนข้างใหญ่ ด้วยการซ้อนวัสดุ 2D หลายชั้น คุณสามารถสร้างส่วนต่อประสานที่บิดเบี้ยวได้หลายแบบเพื่อสร้างการตอบสนองทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพมากในวัสดุที่บางมาก Shuck กล่าว และนอกจากจะลดขนาดทางกายภาพของวัสดุแล้ว ยังช่วยให้สามารถควบคุมความถี่และความเข้มของเอาต์พุตได้มากขึ้น
“เรากำลังพยายามอย่างหนักเพื่อดูว่าเราสามารถสร้างโฟตอนที่พันกันได้หรือไม่” Shuck กล่าวกับPhysics Worldในการทดลอง SYRTE ตัวกลางคือตัวอย่างอะตอมของรูบิเดียม 10,000 อะตอม ที่เตรียมที่อุณหภูมิประมาณ 3 µK ด้วยการใช้เสาอากาศเพื่อควบคุมลำแสงไมโครเวฟไปยังอะตอม จากนั้นสังเกตสัญญาณไมโครเวฟที่อะตอมสะท้อนออกมา ผู้ทดลองสามารถตรวจจับสถานะควอนตัมของอะตอมได้ แม้ว่าการสะท้อนของคลื่นไมโครเวฟจะอ่อน แต่นักวิจัยเห็นการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนเมื่อสแกนความถี่ไมโครเวฟผ่านการเปลี่ยนแปลงของอะตอมด้วยเรโซแนนซ์
การพิสูจน์ว่าได้ผล: การตรวจจับอะตอมเย็นทีมงานได้พิสูจน์ลักษณะที่ไม่ทำลายของวิธีการตรวจจับโดยการวัดผลควอนตัมที่สอดคล้องกันซึ่งเรียกว่า Rabi oscillations รูปแบบไซนัสเหล่านี้ปรากฏเป็นประชากรของอะตอมที่แกว่งไปมาระหว่างสถานะพลังงานปรมาณูสองสถานะเมื่อใช้แสงใกล้เรโซแนนซ์และเป็นพื้นฐานของอินเตอร์เฟอโรเมตรีของอะตอมเย็น ในการทดลองทั่วไป รูปแบบเหล่านี้สังเกตได้โดยการสร้างตัวอย่างอะตอมหลายตัวอย่างและนำจุดข้อมูลหนึ่งจุดต่อตัวอย่าง อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ นักวิจัยสามารถสังเกตการสั่นของ Rabi ด้วยตัวอย่างเดียว โดยใช้เสาอากาศไมโครเวฟหนึ่งอันในการขับเคลื่อนการสั่น และอีกอันเพื่อดำเนินการตรวจจับซ้ำ
Credit : zakopanetours.net ianwalk.com immergentrecords.com imperialvalleyusbc.org inmoportalgalicia.
