Hvordan høy-effektiv og bredbåndet modulering kan revolusjonere kommunikasjonsteknologi

Metasurface-basert Fano-resonans, en teknologi med høy effektivitet og bredbåndet respons, har vist seg å være spesielt nyttig for ultra-høyhastighetskommunikasjon og optiske komponenter for bildebehandling. Denne teknologien åpner muligheter for å manipulere lys på en svært presis og effektiv måte, noe som er essensielt i moderne telekommunikasjon og bildebehandlingsteknologier som krever både høy hastighet og nøyaktighet. Når det gjelder metoder for å oppnå høy-effektiv modulering, har metasurface-modulering vist seg å kunne oppnå kontrastnivåer som tidligere var umulige å oppnå.

Ved å kombinere krysspolariserte metaatomer, som er en vesentlig forbedring sammenlignet med konvensjonelle Fano metasurfaces, kan man oppnå eksepsjonell broadband polariseringskonvertering. Denne tilnærmingen gir betydelig høyere effektivitet ved modulasjon av signaler. En av de mest imponerende aspektene ved denne teknologien er dens evne til å kontrollere både modulasjonsamplituden og driftsfrekvensen samtidig. Dette gjør at metasurfaces kan brukes til å styre signaler på en måte som tidligere var umulig med tradisjonelle metoder.

En av de mest banebrytende anvendelsene av Fano-resonansbaserte metasurfaces er i utviklingen av fotodetektorer og optiske brytere som kan operere på fem- eller til og med pikosekund-tidskalaer. For eksempel ble en amorf Ge-lag med svak fotokonduktivitet brukt i eksperimenter for å demonstrere et system som opererte over et bredt frekvensområde fra 0,6 til 1,1 GHz, og som oppnådde en moduleringseffekt på mer enn 90 %. Dette kan potensielt revolusjonere både telekommunikasjons- og bildebehandlingsteknologier ved å tillate raskere og mer presis signalbehandling.

Videre er bruken av ultraraske perovskittmaterialer i metasurfaces også et viktig gjennombrudd. For eksempel ble det demonstrert at tynnfilm-baserte perovskitter som MAPbBr3, under fotoeksitasjon, kan gi høyfrekvent, ultraraske båndbredder med svært lav rekombinasjonstid. Dette er av stor interesse for utviklingen av fotoniske enheter som kan fungere som all-optiske brytere, som kan skru signaler på og av på ekstremt korte tidsintervall. Denne teknologien har potensial til å transformere ikke bare telekommunikasjon, men også områder som bildebehandling og medisin, der behovet for raske responsmekanismer er essensielt.

Den nylige utviklingen av THz-nanoskopi muliggjør også mer presise målinger av elektron- og hulldynamikk i halvledermaterialer. Dette kan være spesielt nyttig for utviklingen av ultraraske fotoniske enheter og integrerte kretser for telekommunikasjonsteknologi. Ved å benytte disse nanoskopiske teknikkene kan man overvåke reaksjoner på tidsskalaer som går fra pikosekunder til nanosekunder, og derved bedre forstå materialenes oppførsel under ekstreme forhold. Dette kan igjen føre til mer effektive, høyhastighets optiske brytere og enheter med lavere energiforbruk.

Samlet sett gir metasurface-teknologi, i kombinasjon med THz-bølgelengder, en uovertruffen mulighet til å manipulere lys og elektriske felt på ekstremt små skalaer. Dette åpner for en rekke anvendelser innen alt fra kommunikasjon til medisinsk bildebehandling og molekylær forskning, og er et klart eksempel på hvordan innovasjon innen materialteknologi kan føre til enorme fremskritt på tvers av vitenskapelige disipliner.

Endtext

Hva er fremtiden for Raman-silisiumlasere?

I denne delen utforskes utviklingen av Raman-silisiumlasere, spesielt i sammenheng med nanocavities og ribbølgeledere. En grunnleggende forståelse av disse teknologiene gir innsikt i deres potensial og utfordringer. Raman-silisiumlasere, som benytter Raman-spredning for å generere optisk forsterkning, har nylig vist lovende fremskritt, særlig når det gjelder lavt terskelbrytningspunkt (I_th) og høy effekt i kant- og overflateutslipp.

En viktig parameter for å vurdere ytelsen til disse laserne er Q-faktoren (kvalitetsfaktoren), som er en indikasjon på hvordan lys holder seg i et resonanssystem. Høye Q-faktorer er avgjørende for at laserne skal kunne operere effektivt med lavt pumpestrøm (I). Figurene som er presentert i den opprinnelige studien, viser hvordan både kant- og overflateutslipp kan kontrolleres ved hjelp av materialer med høy Q-faktor, som gir høyere intensitet av utstrålt lys med lavere pumpestrøm.

For laserne som benytter nanocavities, er det en nøkkelutfordring at resonansbølgelengden kan variere litt fra en enhet til en annen, spesielt på grunn av små produksjonsfeil eller temperaturvariasjoner. Dette kan føre til at resonansfrekvensen endres med temperatur, noe som kan forårsake problemer i applikasjoner der stabilitet er avgjørende. Derfor er det nødvendig med tunbare laserdioder som kan justeres for å matche resonansfrekvensen til nanocavityen. Likevel har denne løsningen sine egne utfordringer, som høy kostnad og fysisk størrelse.

En mulig løsning på dette problemet kan være bruken av en superluminescerende diod som eksiterer nanocavityene med et bredt spekter. Fordelen med en slik kilde er at den kan opprettholde konsistent resonansintensitet på tvers av temperaturendringer, samtidig som den kan eksitere flere nanocavities samtidig, som hver kan ha en litt forskjellig resonansbølgelengde. Dette kan potensielt føre til bredere anvendelser av Raman-silisiumlasere på integrerte optoelektroniske chips, der flere lasere kan operere samtidig med én enkelt bredspektret lyskilde.

Det er også viktig å merke seg at de termiske egenskapene til nanocavityene spiller en sentral rolle i deres ytelse. Ettersom temperaturendringer kan påvirke resonansbølgelengden, må systemer som bruker slike lasere være i stand til å håndtere disse endringene på en effektiv måte. Dette kan oppnås gjennom innovasjoner i designet av nanocavities eller ved hjelp av sofistikerte kjølesystemer.

Raman-silisiumlasere, spesielt de som er basert på høy-Q nanocavities, har enorme muligheter innenfor mange applikasjoner, fra optoelektroniske chips til sensorikk. Den lave terskelen for å aktivere disse laserne, kombinert med muligheten for integrasjon på små, effektive chips, gjør dem til et attraktivt alternativ for fremtidens teknologier. Den videre utviklingen av disse laserne vil i stor grad avhenge av hvor godt utfordringene knyttet til temperaturstabilitet, produksjonspresisjon og bredbånds-ekskitasjonskilder kan løses.

Hvordan fungerer to-dimensjonal elektronisk spektroskopi?

I høy-repetisjonsfrekvens-oppsettet for to-dimensjonal elektronisk spektroskopi (2DES) deles NOPA-strålen av en strålesplitter i pump- og probe-stråler. Begge, differensial transmissjon og refleksjons-spektra, kan registreres på en enkelt skytebasis ved bruk av et raskt linjekamera og chopping. De andre komponentene i oppsettet inkluderer variabel nøytral tetthetsfilter (ND), iris-apertur (IA), polarisator (POL), fotodiode (PD), kilepar (WP), vibrerende speil (VM), glassplate (GP) og fokuserende speil (FM). Et spesialtilpasset chopperhjul med 500 spor brukes til å choppe pumpen med en hastighet på opptil 50 kHz. Hver sekvens av to spektra måler probe-transmisjon (eller refleksjon) med og uten forutgående pumping.

To-dimensjonal elektronisk spektroskopi (2DES) er i sin enkleste form en teknikk for fire-bølge-miksing som undersøker en tredjearrangementspolarisering i et ikke-lineært materiale som er indusert ved interaksjonen mellom prøven og to pumpe-laserfelter samt ett probe-felt. Generelt kan denne tredjepolariseringen uttrykkes som en konvolusjon av et tredjeparts responsfunksjon R(3) med de elektriske feltene til de tre laserpulene som ankommer prøveplanet på bestemte tidspunkter.

Når strenge tidsbestillinger antas, det vil si tpr > tpu,2 > tpu,1, og interaksjonene av de tre pulene med prøven finner sted på tider τ1 = 0, τ2 = t′1 og τ3 = t′1 + t′2, kan den tredobbelte polariseringsresponsen uttrykkes som en integrasjon over disse feltene. Dette gir et uttrykk for hvordan prøvens kvante-dynamikk responderer på de tre eksitasjonene via en kompleks samhandling som kan beskrives ved et sett med kvantemekaniske operatorer og dens oppførsel på det aktuelle tidspunktet.

Svarfunksjonen R(3) inneholder flere komplekse interaksjoner og kan uttrykkes ved hjelp av Feynman-diagrammer. Disse diagrammene viser hvordan de ulike tilstandene i prøven reagerer på de tre laserpulene, og hvordan disse interaksjonene påvirker systemets populasjonstilstand. Ved å anvende den roterende bølge-tilnærmingen og ignorere interaksjoner som ikke resulterer i en populasjonstilstand, kan man redusere antallet bidrag betraktelig og dermed forenkle beregningene. Totalt kan dette redusere antallet relevante interaksjoner til 16 unike bidrag som ofte blir representert diagrammatisk.

En av de viktige aspektene ved 2DES er forståelsen av hvordan systemet responderer på de tredobbelte interaksjonene som kan beskrives i form av Feynman-diagrammer. Diagrammene kan være svært nyttige for å forstå hvilke prosesser som faktisk skjer i systemet og hvordan ulike laserpulser kan påvirke materialets elektroniske tilstander. Dette gir innsikt i hvordan energioverføringen og dynamikken mellom de elektroniske tilstandene i materialet kan moduleres og kontrolleres.

En ytterligere dimensjon som er avgjørende for to-dimensjonal elektronisk spektroskopi er forståelsen av hvordan systemets respons varierer med ulike tidsintervall og ventetider. Ventetiden mellom de forskjellige pump-pulsene og proben kan ha en betydelig innvirkning på resultatene og må derfor kontrolleres nøyaktig. I tilfelle der ventetiden er null, kan systemet vise et annet responsmønster sammenlignet med tilfeller med en positiv ventetid, og dette kan påvirke hvordan signalene tolkes.

Det er også viktig å merke seg at selv små variasjoner i tidspunktene for laserpulsene kan føre til betydelige endringer i spektrene som måles. Dermed er det avgjørende å ha kontroll på instrumentene som brukes til å justere disse tidene, som for eksempel retroreflektoren og piezoelektriske speil, for å oppnå nøyaktige og repeterbare målinger.

Hvordan molekylære aggregater kan forbedre lysabsorpsjon og eksitons-transport

Molekylære aggregater har i seg sterke optiske ikke-lineariteter som følge av delokaliseringen av bølgefunksjonen og eksiton-eksiton-interaksjoner [106–108]. Dette kan til og med muliggjøre ikke-lineære optiske brytninger på enkelt-foton nivå [109, 110]. Det er imidlertid viktig å merke seg at molekylære aggregater på romtemperatur ofte viser bare én dominerende elektronisk (eksitonisk) bånd. Dette skyldes svak vibronisk kobling til intramolekylære vibrasjoner [111], som følge av delokaliseringen av eksitonens bølgefunksjon, og resulterer i en innskrenking av absorpsjonsbåndet. Disse egenskapene gjør molekylære aggregater interessante for å utforske sterk kobling til vakuumfelt [32, 112] eller for å muliggjøre studier av kvanteoptiske fenomener ved romtemperatur [110].

I de eksperimentene som er utført med squarainer som prototypiske molekyler for å utforske plasmonforsterket eksitonsdelokalisering i molekylære aggregater, sammenlignes absorpsjonsspektra fra aggregert film som er påført et glasssubstrat med refleksjonsspektra fra film på et 200 nm tykt gullsubstrat [20]. Begge spektrene viser et rød-skiftet J-aggregatbånd rundt 1,6 eV [15]. På glass er et svakere blå-skiftet H-aggregatbånd på ca. 2,22 eV også synlig [101]. Forskjellen i linjebredde er tydelig: J-aggregatbåndet på gullsubstratet viser en betydelig smalere linjebredde (ca. 32 meV) sammenlignet med filmen på glass (80 meV), noe som indikerer at koblingen til substratet kan påvirke de optiske egenskapene til aggregatene.

Videre ble det ved hjelp av 2DES (to-dimensjonal elektronisk spektroskopi) mulig å få bedre innsikt i graden av uorden i squarainer-aggregatene på de forskjellige substratene. 2DES er et kraftig verktøy for å skille mellom homogen og inhomogen bredning i spektrene. Ved å bruke korte impulser kan man kartlegge hvordan eksitoner interagerer på mikroskopisk nivå, og hvordan ulike strukturelle forhold påvirker eksitons-dynamikken i molekylære aggregater.

Hvordan plasmon-koblede excitoner gir nye muligheter for kvantetransport

Nearest-neighbor koplinger i et system av molekylære excitoner fører til dannelsen av få superradiant, moderat lokaliserte J-aggregerte excitoner, som er sterkt rødforskyvede i energi og strekker seg over omtrent 25 molekyler, sammen med et stort antall mørke excitoner. I mellomrommet mellom spaltene forblir bølgefunksjonene til disse lokaliserte excitonene i hovedsak uendrede når de er koblet til plasmonmodusen – bortsett fra en mindre blanding av excitoner innenfor spaltene. Bidraget fra plasmonen til bølgefunksjonen er lite. Derimot, superradiant excitoner som er lokalisert inne i spaltene, kobles sterkt til plasmonmodusen, noe som resulterer i en LP-modus som bærer betydelige bidrag fra både XS og P, mens bidragene fra alle XW er mye svakere. For LP interfererer alle bølgefunksjoner konstruktivt, mens for X-tilstandene interfererer bidragene fra XS og XW destruktivt.

Modellen som er presentert her, viser hvordan et system av squaraine-monomerer, med uordnet energifordeling og nearest-neighbor kopling, kan danne lokaliserte J-aggregerte excitoner. Dette systemet er koblet til en delokalisert plasmonisk modus, med en romlig inhomogen koblingsstyrke som avtar fra 5.0 meV for excitonene XS innenfor de smale spaltene til 0.5 meV for de utenfor spaltene, XW. Dette fører til absorpsjonsspekteret som inneholder en enkelt, delokaliserte LP-modus og flere uordnede UP-overganger, sammen med en “ikke-koblet” exciton-pik, X.

Når systemet blir impulsivt excitert med en laserstråle, viser plasmonmodusen de forventede Rabi-oscil- lasjonene, mens de lokale excitonene XS viser ut-av-fase oscillasjoner. Disse oscillasjonene er langsommere enn Rabi-oscil- lasjonene og har en periode TX, som reflekterer koherente excitonpopulasjonsoscillasjoner (CPO) som skjer mellom de to ulike excitonene, XS og XW. Spesielt merkes dette når man ser på de individuelle excitondynamikkene, der de langsommere oscillasjonene vises klart. For plasmonmodusen og den totale excitonpopulasjonen, XS + XW, er de langsomme oscillasjonene ikke til stede, og derfor er de raske Rabi-oscil- lasjonene mer fremtredende.

For å forklare disse fenomenene, kan vi bruke modellen for et tredimensjonalt system av excitoner, XS og XW, som er koblet til plasmonmodusen. Den kollektive koplingsstyrken for excitonene inne i spaltene er omtrent tre ganger sterkere enn for de utenfor spaltene, noe som skaper CPOs uten å påvirke dynamikken til plasmonmodusen. Slike koherente populasjonsoscillasjoner (CPO) er velkjente i atom- og molekylsystemer med tre-nivå-systemer, der de muliggjør kontroll over optiske fenomener som sakte lysgenerasjon eller lagring av lys.

For å benytte disse fenomenene på praktiske anvendelser, som kvanteinformasjon og lysmanipulering, er det avgjørende å kunne visualisere både de romlige og tidsmessige dynamikkene til excitontransport. Dette åpner nye muligheter for optisk informasjonshåndtering i systemer som er sterkt koblet til plasmoner, og for utviklingen av nye teknologier innen kvanteinformatikk.