미세한 색상 변환기는 작은 레이저 기반 장치를 현실에 더 가깝게 이동시킵니다.

[아름이]

미세한 색상 변환기는 작은 레이저 기반 장치를 현실에 더 가깝게 이동시킵니다.
날짜:2022년 8월 22일
원천:컬럼비아 대학교 공학 및 응용 과학 대학
요약:
연구원들은 레이저 빔의 색상을 변경할 수 있는 장치를 만들기 위해 원자적으로 얇은 재료를 사용했습니다. 기존의 색상 변환기 크기의 일부인 그들의 현미경 장치는 새로운 종류의 초소형 광 회로 칩을 생산하고 양자 광학을 발전시킬 수 있습니다.

레이저는 어디에나 있습니다. 이를 사용하는 장치는 정보를 전송하고 장거리 통신 및 인터넷의 존재를 가능하게 합니다. 그들은 수술을 수행하는 의사와 고급 도구 및 기술을 제조하는 엔지니어를 돕습니다. 매일 우리는 식료품을 스캔하고 DVD를 시청할 때 레이저와 마주칩니다. 이탈리아 Politecnico di Milano의 비선형 광학 연구원인 Giulio Cerullo는 "레이저가 발명된 지 60여 년 동안 레이저는 우리 삶을 절대적으로 변화시켰습니다.

오늘날 Cerullo와 Columbia University의 공동 작업자들이 Nature Photonics 에 발표한 새로운 연구의 도움으로 레이저를 사용하는 장치는 훨씬 더 작아질 태세를 갖추고 있습니다.

Columbia에 있는 엔지니어 James Schuck의 연구실에서 박사 과정 학생인 Xinyi Xu와 박사후 연구원인 Chiara Trovatello는 이황화 몰리브덴(MoS2)이라는 2D 재료를 연구했습니다. 그들은 사람 머리카락보다 100배 더 얇은 두께가 1미크론 미만인 MoS 2 스택으로 구축된 장치가 통신 파장의 광 주파수를 변환하여 다양한 색상을 생성하는 방법을 특성화 했습니다.

이 새로운 연구는 밀리미터와 센티미터로 측정되는 오늘날의 파장 가변 레이저에 사용되는 표준 재료를 대체하기 위한 첫 번째 단계라고 최근 밀라노에서 Cerullo에서 박사 학위를 마친 Trovatello가 말했습니다. "비선형 광학은 현재 거시적인 세계이지만 우리는 그것을 미시적으로 만들고 싶습니다."라고 그녀는 말했습니다.

레이저는 특별한 종류의 간섭성 빛을 방출합니다. 즉, 빔의 모든 광자는 동일한 주파수를 공유하므로 색상이 나타납니다. 레이저는 특정 주파수에서만 작동하지만 장치는 종종 다양한 색상의 레이저 광을 배치할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 녹색 레이저 포인터는 실제로 육안으로 볼 수 있는 물질에 의해 가시적인 색상으로 변환되는 적외선 레이저에 의해 생성됩니다. 연구원들은 비선형 광학 기술을 사용하여 레이저 빛의 색상을 변경하지만 기존에 사용되는 재료는 색상 변환이 효율적으로 일어나기 위해서는 상대적으로 두꺼워야 합니다.

MoS 2 는 원자적으로 얇은 층으로 박리될 수 있는 전이 금속 디칼코게나이드라고 불리는 새로운 종류의 물질에 대해 가장 많이 연구된 예 중 하나입니다. MoS 2 의 단일 레이어는 광 주파수를 효율적으로 변환할 수 있지만 실제로는 너무 얇아서 장치를 만드는 데 사용되지 않습니다. 한편, MoS 2 의 더 큰 결정은 비색 변환 형태에서 더 안정적인 경향이 있습니다. 3R-MoS 2 로 알려진 필요한 결정을 제작하기 위해 팀은 상업용 2D 재료 공급업체인 HQ Graphene과 협력했습니다.

3R-MoS 2 를 손에 들고 Xu는 다양한 두께의 샘플을 벗겨내어 빛의 주파수를 얼마나 효율적으로 변환하는지 테스트하기 시작했습니다. 즉시 결과는 훌륭했습니다. Schuck은 "과학에서 예상보다 더 잘 작동하는 프로젝트를 시작하는 경우는 거의 없습니다. 일반적으로 그 반대입니다. 이것은 드물고 마법 같은 경우였습니다."라고 말했습니다. 일반적으로 샘플에서 생성된 빛을 등록하려면 특수 센서가 필요하며 그렇게 하는 데 시간이 걸린다고 Xu는 설명했습니다. "3R-MoS 2 를 사용하면 거의 즉시 매우 큰 향상을 볼 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. 특히 팀은 인터넷 및 텔레비전 서비스 제공과 같은 잠재적인 광통신 애플리케이션의 핵심 기능인 통신 파장에서 이러한 변환을 기록했습니다.

한 번의 스캔 중에 운이 좋은 사고로 Xu는 결정의 임의의 가장자리에 초점을 맞추고 물질 내부에 도파관 모드가 있음을 암시하는 줄무늬를 보았습니다. 도파관 모드는 수정을 가로질러 다른 속도로 이동하는 서로 다른 색상 광자를 동기화 상태로 유지하고 양자 광학 응용 프로그램의 핵심 구성 요소인 소위 얽힌 광자를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 팀은 물리학자 Dmitri Basov의 연구실에 장치를 넘겨주었고 그의 박사후 연구원 Fabian Mooshammer는 그들의 직감을 확인했습니다.

현재, 도파관 변환 및 얽힌 광자를 생성하는 데 가장 널리 사용되는 결정은 유용한 변환 효율을 달성하기 위해 상당히 두꺼워야 하는 단단하고 단단한 물질인 리튬 니오베이트입니다. 3R-MoS 2 는 똑같이 효율적이지만 100배 더 작고 유연하여 실리콘 광자 플랫폼과 결합하여 훨씬 더 작은 전자 제품의 궤적을 따라 칩에 광학 회로를 생성할 수 있습니다.

이 개념 증명 결과로 실제 응용 프로그램에 대한 병목 현상은 3R-MoS 2 의 대규모 생산 과 장치의 높은 처리량 구조화입니다. 팀은 거기에서 업계가 인수해야 할 것이라고 말합니다. 이 작업을 통해 그들은 2D 재료의 가능성을 입증하기를 희망합니다.

"저는 30년 이상 비선형 광학 분야에서 일해 왔습니다. 연구는 대부분 점진적으로 이전에 있던 것을 천천히 구축하는 것입니다. 큰 잠재력을 가진 완전히 새로운 것을 하는 것은 드뭅니다."라고 Cerullo가 말했습니다. "나는 이 새로운 재료가 게임을 바꿀 수 있다는 느낌이 든다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/