Nova nanostruktura naredi nelinearno pretvorbo svetlobe 72.000-krat učinkovitejšo

Raziskovalci s Tehnološke univerze v Grazu, Harvardove univerze in Univerze v Teksasu v Austinu so razvili prelomno metodo za nelinearno pretvorbo svetlobe, ki dosega učinkovitost približno 72.000-krat večjo od prej znanih materialov.

Ti sloji vsebujejo asimetrično spreglašene kvantne vrtine, ki omejujejo gibanje elektronov v določenih smereh. Ko so izpostavljeni svetlobi, ti kvantni vrtini proizvajajo usmerjene elektronske oscilacije, kar vodi do zelo učinkovitih nelinearnih interakcij med fotoni. Ta nastavitev posnema umetno enosmerno cesto za elektrone, kar povečuje potencial za računalništvo na podlagi svetlobe in kvantne tehnologije. Kljub temu napredku so se zgodnje različice materiala soočale z omejitvami. Svetloba je morala potovati vzporedno s polprevodniškimi sloji, zaradi česar je bila integracija v praktične naprave zahtevna.

Elektroni v teh pogojih niso mogli učinkovito prehoditi umetne poti, kar je omejilo opažene nelinearne učinke. Marcus Ossiander iz TU Graz je predlagal vključitev metaploče, sestavljene iz stebrov titanovega dioksida, razporejenih v natančen šahovnik. Ta struktura, nameščena na vrhu polprevodniške plasti, preusmeri vhodno svetlobo, da se razprši po predvideni enosmerni poti.

Eksperimentalni rezultati so razkrili nepričakovan, vendar ključen vpogled. Ko je svetloba udarila v napravo, so se simetrična optična polja med seboj preklicala, kar je preprečilo učinkovito nelinearno interakcijo. 3 stopinje so prekinile to simetrijo in dramatično izboljšali učinkovitost pretvorbe svetlobe.

Z drastičnim povečanjem učinkovitosti in zmanjšanjem energetskih zahtev nova nanostruktura ponuja uporabno pot do kompaktnih, nizkopotrebnih naprav, ki so sposobne izvajati zapletene optične izračune.

Raziskovalna skupina načrtuje, da bo v prihodnje raziskovala nadaljnje izboljšave v zasnovi, s ciljem optimizacije prilagodljivosti in združljivosti z obstoječimi fotonskimi sistemi.