Het gebruik van metasurfaces voor terahertz (THz) modulatie heeft zich bewezen als een waardevolle benadering voor zowel ultrahoge snelheid communicatietechnologieën als optische componenten voor beeldvorming. De Fano-type resonantie, geïmplementeerd op een metasurface, is bijzonder geschikt voor dit doel. Door de modulatie-amplitude en de bedrijffrequentie van deze metasurface nauwkeurig te regelen, kan een contrastniveau worden bereikt dat verder gaat dan de traditionele limieten. Dit biedt veelbelovende mogelijkheden voor toepassingen die hoge efficiëntie en een breed frequentiebereik vereisen.

In recent onderzoek is aangetoond dat de combinatie van kruis-gepolariseerde metaatomen een uitstekende mogelijkheid biedt voor achromatische polarisatieconversie met hoge efficiëntie, wat in tegenstelling staat tot de conventionele Fano-metasurfaces. Dit stelt de mogelijkheid voor om de modulatiebandbreedte van een metasurface te verhogen tot meer dan 90%, met een schakeltijd van slechts 10 picoseconden, in een frequentiebereik van 0,6 tot 1,1 GHz. Deze prestaties worden bereikt door een dunne amorfe Ge-laag te gebruiken, die een zwakke fotoconductieve verstoring vertoont, en door foto-inducerende effecten te benutten om de snelheid van de carrierdynamica te meten met behulp van THz-spectroscopie.

De ultrafast frequentieregulabele terahertz metamateriaalapparaten die in het onderzoek van Chanana et al. werden geïntroduceerd, spelen een belangrijke rol bij het begrijpen van de ladingtransport-eigenschappen van hybride perovskieten, zoals MAPbBr3. In dit geval worden de carriers van de perovskietmaterialen naar geëxciteerde energietoestanden gebracht door foto-excitatie, waarna ze worden gemeten met verschillende tijdsvertraagde THz-probes. De niet-evenwichtige responsrelaxatie van deze materialen op nanoschaal vertoont unieke kenmerken, die belangrijk zijn voor het ontwerp van ultrafast fotonische schakelaars en andere toepassingen die vereisen dat hoogfrequente dynamiek snel wordt geregeld. Deze terahertz-nanoscopieconcepten kunnen ook worden toegepast voor het monitoren van dynamische afschermingsefficiëntie via verschillende gelaagde twee-dimensionale materialen zoals Ti3C2 MXene, die verschillende mate van verzwakking van THz-golven vertonen afhankelijk van de dikte van het materiaal.

Het gebruik van metasurfaces biedt niet alleen mogelijkheden voor de modulatie van THz-golven, maar maakt ook de versterking en lokalisatie van THz-velden op nanoschaal mogelijk. Dit opent de deur naar het bestuderen van materiaal niet-lineariteiten die worden geïnduceerd door het versterkte veld. Een bijzonder interessant voorbeeld hiervan is het gebruik van retinal, een lichtgevoelig eiwit, in bacteriorhodopsine. Het proces van foto-isomerisatie in retinal, waarbij een conformationalele verandering optreedt als reactie op lichtabsorptie, is een van de snelste biochemische reacties die bekend zijn. Door gebruik te maken van de versterkte THz-velden van een metasurface, konden onderzoekers de foto-isomerisatie in retinal verder bestuderen door middel van ultrafast Stark-spectroscopie. Dit stelde hen in staat om inzicht te krijgen in de mechanica van de reactie en de veranderingen in het dipoolmoment van het molecuul te meten.

Metasurfaces bieden dus niet alleen de mogelijkheid om de modulatie van THz-velden op nanoschaal te verbeteren, maar stellen onderzoekers ook in staat om ultrasnelle, niet-lineaire reacties in materialen te observeren en te manipuleren. Dit heeft grote implicaties voor de ontwikkeling van nieuwe fotonische en opto-elektronische apparaten die gebruik maken van THz-straling, en biedt veelbelovende vooruitzichten voor de verdere ontwikkeling van ultrafast communicatie- en imagingtechnologieën.

In de toekomst zullen dergelijke metasurfaces wellicht onmisbaar worden in de ontwikkeling van een breed scala aan apparaten voor zowel wetenschappelijk onderzoek als praktische toepassingen. De dynamische eigenschappen van de materialen die de metasurfaces vormen, zoals hun reactie op licht, kunnen verder worden geoptimaliseerd om nog snellere en efficiëntere systemen te creëren voor toepassingen die gebruik maken van THz-straling.

Hoe Raman-Siliciumlasers de Toekomst van Opto-Elektronische Technologieën Vormgeven

De ontwikkeling van opto-elektronische siliciumchips heeft de afgelopen jaren enorme vooruitgangen geboekt, gedreven door de snelle vooruitgang in kunstmatige intelligentie (AI). Deze vooruitgangen hebben geleid tot een sterk toenemende vraag naar opto-elektronische componenten die siliconen lasers, zoals Raman-siliciumlasers, mogelijk maken. Deze technologie heeft niet alleen een belangrijke impact op de telecommunicatie en de computertechnologie, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor geavanceerde toepassingen in sensor technologie, medische diagnostiek en quantum computing. In dit kader wordt verwacht dat de industriële toepassing van Raman-siliciumlasers in de nabije toekomst aanzienlijk zal toenemen, wat de basis legt voor een revolutie in de manier waarop we omgaan met informatieverwerking en communicatie.

De sleutel tot het succes van Raman-siliciumlasers ligt in hun unieke eigenschappen, die hen in staat stellen licht te genereren met een zeer lage drempelwaarde voor verbruik en verlies. Dit is mogelijk door het gebruik van fotonische kristallen, die de efficiëntie van de laser aanzienlijk verhogen en de prestaties verbeteren. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor gebruik in systemen die afhankelijk zijn van nauwkeurige en energie-efficiënte lichtbronnen, zoals in telecommunicatie en optische netwerken. De combinatie van Raman-versterking en siliconen fotonische kristallen stelt onderzoekers in staat om lasers te creëren die veel minder energie verbruiken dan conventionele optische versterkers.

Hoewel Raman-siliciumlasers de potentie hebben om bestaande technologieën te verbeteren, zijn er ook aanzienlijke uitdagingen die nog moeten worden overwonnen. Eén van de grootste obstakels is de noodzaak om de efficiëntie van de laserprestaties verder te verhogen, zodat ze kunnen concurreren met andere, meer gevestigde technologieën op de markt. Bovendien moeten onderzoekers nog manieren vinden om de lasers verder te miniaturiseren, zodat ze kunnen worden geïntegreerd in een breder scala van apparaten en systemen. Desondanks is het vooruitzicht dat Raman-siliciumlasers in de nabije toekomst commercieel beschikbaar zullen zijn en een aanzienlijke impact zullen hebben op de ontwikkeling van opto-elektronische systemen.

Een ander belangrijk punt dat het succes van deze technologie zal bepalen, is de samenwerking tussen onderzoekers, ingenieurs en industriële partners. De vooruitgang in dit veld vereist een integrale benadering van fundamenteel onderzoek en praktische implementatie. De bijdrage van experts op het gebied van materiaalkunde, fotonica en optische systemen is cruciaal voor het overwinnen van de technische en praktische uitdagingen die zich voordoen bij de ontwikkeling van deze technologie.

In de komende jaren zal de toepassing van Raman-siliciumlasers steeds belangrijker worden, niet alleen in wetenschappelijke en industriële instellingen, maar ook in de commerciële sector. De vraag naar efficiënte, duurzame en krachtige opto-elektronische componenten zal blijven groeien, en Raman-siliciumlasers zouden wel eens de sleutel kunnen zijn tot het behalen van deze doelstellingen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de overgang van laboratoriumexperimenten naar industriële productie een langdurig en complex proces is. Dit betekent dat hoewel de vooruitzichten voor Raman-siliciumlasers veelbelovend zijn, de daadwerkelijke toepassing in commerciële producten misschien nog enige tijd op zich laat wachten. Dit vereist geduld van zowel de wetenschappelijke gemeenschap als de industriële sector, die samen moeten werken om de technologische en economische uitdagingen van deze opkomende technologie te overwinnen.

Wat is de rol van vibratie-couplings in squaraine moleculen bij 2D Elektronische Spectroscopie?

In de studie van de elektronische structuur van squaraine moleculen werden 2D elektronische spectroscopie-experimenten (2DES) uitgevoerd in oplossing, waardoor gedetailleerde spectrale kaarten konden worden verkregen die afhankelijk zijn van de excitatie- en detectie-energieën als functie van de wachttijd. Dergelijke 2DES-kaarten zijn weergegeven in figuur 5.12 voor vier geselecteerde wachttijden. De kaarten worden gedomineerd door een diagonaal piek bij ongeveer 1,9 eV (de centrale absorptiepiek van de |g〉 → |c〉 overgang), met aanvullende kruispieken bij ongeveer 2,1 eV langs zowel de excitatie- als detectie-as. De signaalamplitude van de 2DES-kaarten is positief, A2D > 0, wat erop wijst dat het signaal wordt gedreven door GSB van de |g〉 → |c〉 overgang en SE van |c〉 → |e〉, terwijl de bijdragen van de geëxciteerde toestandsabsorptie veel zwakker zijn. De invloed van de sterke lage-frequentie-modus op de 2DES-spectra manifesteert zich opnieuw als een vervorming van de diagonale piek, vooral goed zichtbaar in figuur 5.4a, b. Aangezien de energie die overeenkomt met de hoge-frequentie ~22 fs vibraties (~180 meV) groter is dan de lijnbreedte, is de resulterende DHO-piekstructuur goed oplosbaar in de 2DES-spectra. De koppeling met lagere frequentie vibraties resulteert in periodieke oscillaties van de vervorming van de wachttijd-afhankelijke 2DES-vorm, wat moeilijker te analyseren is, aangezien verschillende modi bijdragen aan deze vervormingen.

Om de vibratie-couplings in squaraine moleculen verder te onderzoeken, wordt gebruik gemaakt van tijd-resolutie vibratiespectroscopie met behulp van een ultrakorte sub-10 fs pomp-puls, die in resonantie is met de |g〉 → |c〉 overgang. De optische resonante excitatie creëert een coherente vibratie-golfpakket in de Franck-Condon regio van het geëxciteerde toestand potentiaal-energie-oppervlak (PES). Als het minimum van het geëxciteerde toestand PES verschuift door een dimensieloze verplaatsing 𝑑𝑖 ten opzichte van de grondtoestand PES langs de dimensieloze vibratiecoördinaat Qi, dan veroorzaakt de optische excitatie coherente golfpakket oscillaties rond het minimum van het geëxciteerde toestand PES. Deze oscillaties hebben een periode τvib,i = 2π/ωvib,i (waarbij ωvib,i de frequentie is van de vibratiemodus i) en moduleren periodiek het transmissiespectrum van een tweede ultrakorte meet-puls (displacieve excitatie in het verplaatste harmonische oscillator (DHO) model). Het differentiële transmissiespectrum 𝛿T/T(T, Edet) als functie van de wachttijd T en detectie-energie Edet volgt direct de coherente golfpakketbeweging in het tijdsdomein.

In figuur 5.12a worden de resultaten van zo'n pomp-probe meting getoond voor squaraine moleculen in chloroform bij kamertemperatuur na het verwijderen van coherente oplosmiddel vibraties en cross-fase modulatie signalen. Voor positieve wachttijden is de belangrijkste eigenschap in de kaart een positieve SE en GSB band bij de positie van de |g〉 → |c〉 overgang rond 1,9 eV, met zwakke schouders rond 1,75 eV en 2,1 eV. Bij negatieve wachttijden worden kenmerken waargenomen die voortkomen uit de verstoorde vrije inductie verval van de |g〉 → |c〉 overgang. Het 𝛿T/T vertoont aanhoudende periodieke modulaties met perioden van τvib,1 = 227 fs (147 cm−1) en τvib,2 = 58 fs (570 cm−1). Zwakkere, hoogfrequente vibratie oscillaties met τvib,3 ≈ 22 fs (1500 cm−1) zijn alleen zichtbaar aan de hoge-energie kant van de SE/GSB-piek, zoals benadrukt in de inset van figuur 5.12a.

De experimentele pulsduur van <10 fs is veel korter dan de vibratieperioden τvib,1 en τvib,2. In deze limiet worden de oscillaties in het pomp-probe signaal gedomineerd door de geëxciteerde toestand golfpakketbeweging, terwijl impulsieve Raman-excitatie van grondtoestand golfpakketten zwak is. De coherente vibratie dynamiek in 𝛿T/T kan goed worden beschreven met de klassieke limiet van de DHO. Aangezien de energie van beide modi kleiner is dan de lijnbreedte van de elektronische |g〉 → |c〉 overgang, is het dominante effect van impulsieve excitatie een wachttijd-afhankelijke modulatie van de overgangsenergie. Deze energie-modulatie kan worden begrepen als de continue, tijdsafhankelijke verandering in het verschil tussen de grondtoestand en geëxciteerde toestand PES, gevolgd door het zwaartepunt van het coherente oscillerende geëxciteerde toestand golfpakket.

De koppeling met lage-frequentie vibraties, die in de orde van tientallen fs oscilleren, kan vaak worden beschreven door een DHO-model, waarbij de amplitudes van de n-de vibratie zijbanden volgen volgens een Poisson verdeling I(n) = I(0)Sn/n!. Dit biedt een krachtig middel om de sterkte van de vibronische koppeling te schatten door de amplitudes van de vibratiespectrum te analyseren. De informatie die hieruit voortkomt, kan ons helpen de sterkte en het effect van vibraties in de elektronische structuur en dynamica van squaraine moleculen beter te begrijpen.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de koppelingen tussen elektronisch en vibratoir gedrag diepgaande implicaties hebben voor de algehele spectroscopische kenmerken van moleculen in oplossing. Dit geldt vooral voor organische halfgeleiders, waar dergelijke eigenschappen cruciaal kunnen zijn voor toepassingen in moleculaire elektronica en opto-elektronica. Het onderscheid tussen lage- en hoge-frequentie vibraties, en de mate waarin deze bijdragen aan spectrale modulaties, kan fundamenteel zijn voor het ontwerp en de optimalisatie van moleculaire apparaten, zoals zonnecellen of lasers, die afhankelijk zijn van de elektronische en vibratie eigenschappen van de moleculen die ze bevatten.

Kan kunstmatige intelligentie de wetten van oorlog respecteren?
Wat Betekent het als Geschiedenis zich Herhaalt? Over Verlies en Verlangen in de Oorlog
Hoe worden astigmatische decomponenties berekend in oogoptica?
Wat is de betekenis van de dromen van een jonge man die de wereld kan veranderen?