أظهر الفيزيائيون كيف تتحكم هندسة الجسيمات النانوية ثاني كبريتيد الموليبدينوم في مضاعفة تردد الضوء

الجيل التوافقي الثاني هو عملية بصرية غير خطية يتم فيها دمج فوتونين من نفس التردد في فوتون واحد مزدوج التردد. التأثير معروف جيدًا في البلورات العيانية، لكن نقله إلى المقياس النانوي – إلى جسيمات مفردة يبلغ حجمها مئات النانومترات – أثبت أنه مهمة صعبة، وحلها مهم لإنشاء أجهزة فوتونية نانوية جديدة. من بين المواد التي يمكنها مضاعفة تردد الضوء بشكل فعال، تحتل مركبات ثنائي كالكوجينيدات الفلز الانتقالي، وهي عبارة عن طبقات من أشباه الموصلات، والتي ترتبط صفائحها معًا بواسطة روابط فان دير فالس الضعيفة، مكانًا خاصًا. فحص العمل الممثل الأكثر دراسة لهذه العائلة، ثاني كبريتيد الموليبدينوم MoS₂. ونشرت النتائج في مجلة الضوئيات التطبيقية. قال ديمتري كيسلوف، طالب دراسات عليا في مركز MIPT للضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد: “لقد طرحنا السؤال: كيف يؤثر شكل الجسيمات النانوية على مدى فعالية مضاعفة تردد الضوء؟ بشكل بديهي، سوف “يلتقط” القرص والكرة المصنوعان من نفس المادة الضوء بشكل مختلف، لكن هذا لم تتم دراسته كميًا بعد. قررنا سد هذه الفجوة من خلال النظر إلى أربعة أشكال هندسية أساسية: القرص، والأسطوانة، والمخروط والمجال.” ولعمليات المحاكاة العددية، استخدم المؤلفون حزمة COMSOL Multiphysics. وبدلاً من إجراء حساب كامل ثلاثي الأبعاد، استخدموا نموذجًا متماثل المحور، والذي يعمل على تسريع العمليات الحسابية بشكل كبير مع الحفاظ على الدقة المادية. خرائط المقطع العرضي الكلي للتشتت عند التردد الأساسي للجسيمات النانوية MoS₂ ذات الأشكال المختلفة: القرص الرقيق والأسطوانة والمخروط والكرة. تشير الخطوط المنقطة إلى الفروع الرئيسية متعددة الأقطاب وأنابول / © “Applied Photonics” أظهرت المحاكاة أن الضوء يتصرف في الجسيمات النانوية ذات الأشكال الموصوفة بشكل مختلف تمامًا في نطاقين طيفيين. عند الأطوال الموجية الأقل من 750 نانومتر، تمتص المادة الإشعاع بقوة بسبب الإكسيتونات. ولكن عند الأطوال الموجية الأكبر من 750 نانومتر، تصبح الخسائر أضعف بكثير، ويمكن بالفعل “حبس” الضوء داخل الجسيمات النانوية، مما يشكل رنينًا مستقرًا – وهو نوع من الموجات الدائمة على مقياس النانو. بالنسبة لقرص رفيع يبلغ سمكه 135 نانومتر، تظهر في الطيف نطاقات مميزة تتوافق مع هذه الأصداء. بينهما تنشأ حالات خاصة تسمى أنابول. هذه حالات غير عادية لا ينبعث فيها الجسيم تقريبًا الضوء إلى الخارج، ولكن داخله، يصبح المجال الكهرومغناطيسي، على العكس من ذلك، قويًا جدًا. تعمل حالات أنابول على تعزيز توليد التوافقي الثاني بشكل حاد. إذا أخذنا أسطوانة بارتفاع 400 نانومتر بدلاً من قرص رفيع، فستتغير الصورة بشكل ملحوظ. يعمل مثل هذا الجسيم بالفعل كرنان حجمي: لا تنشأ فيه أصداء في مستوى الهيكل فحسب، بل تنشأ أيضًا أصداء في الارتفاع – مثل الموجات الدائمة بين مرآتين. ونتيجة لذلك، يظهر وضع ثنائي القطب المغناطيسي في الاسطوانة، وهو غائب تقريبًا في القرص الرقيق. بالإضافة إلى ذلك، في نطاق 400-700 نانومتر، وجد الباحثون دليلاً على وجود تفاعلات قوية بين الضوء والمادة – ما يسمى بتقسيم الأرانب. هذا يعني أن أوضاع ضوء التجويف والحالات المثيرة في MoS₂ تبدأ في التصرف كنظام هجين واحد. يؤثر هذا الخلط بشكل مباشر على الاستجابة غير الخطية للبنية: في هذه المناطق من الطيف تكون القمم والانخفاضات المميزة للجيل التوافقي الثاني ملحوظة بشكل خاص. يتم تحديد كفاءة الجيل التوافقي الثاني من خلال نوع من “قاعدة المنتج”: القابلية غير الخطية للمادة مضروبة في تداخل النمط مضروبة في الرنين عند مربع التردد الأساسي والرنين عند ضعف التردد. يتم تحقيق الحد الأقصى عند ما يسمى بالرنين المزدوج – عندما يتداخل الوضعان عند ω و2ω في الفضاء والتردد. وهذا هو بالضبط ما لاحظه العلماء في حساباتهم لجميع الأشكال الهندسية التي تم أخذها بعين الاعتبار. خرائط المقطع العرضي الكلي للجيل التوافقي الثاني للجسيمات النانوية MoS₂ ذات الأشكال المختلفة: القرص الرقيق والأسطوانة والمخروط والكرة. تحدث الحدود القصوى لـ SHG في منطقة تقاطع الأوضاع الأساسية والأنماط بتردد 2ω / © “الضوئيات التطبيقية” الهندسة المخروطية تستحق اهتمامًا خاصًا. عند إنتاج الجسيمات النانوية باستخدام الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون، يكاد يكون من المستحيل تحقيق جدران رأسية بشكل صارم – فالأسطوانات الحقيقية دائمًا ما يكون لها بعض الميل في الوجوه الجانبية. وقد وجد الباحثون أنه حتى التخفيض الطفيف لا يؤدي إلى تدمير الأصداء، بل يؤدي فقط إلى إزاحتها وإعادة توزيعها. على الرغم من صعوبة تصنيع الجسيمات النانوية الكروية، إلا أنها أثبتت أيضًا أنها نظام نموذجي قيم. أظهر طيف التشتت للكرة أنماطًا ثنائية القطب الكهربائية والمغناطيسية يمكن تمييزها بوضوح، بالإضافة إلى حالات رباعية القطب – وهي بنية قريبة جدًا من الرنان الأسطواني. وهذا يؤكد أن أنماط الرنين وآليات تعزيز توليد التوافقي الثاني هي عالمية بالنسبة للرنانات المجوفة، بغض النظر عن الشكل الهندسي المحدد. والنتيجة الرئيسية للعمل هي إثبات أن ثاني كبريتيد الموليبدينوم يسمح للمرء بالجمع بين آليتين للتضخيم: اللاخطية الحجمية للبلورة والرنين الهندسي للبنية النانوية. في المواد الكلاسيكية مثل السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم، يضطر العلماء عادةً إلى الاختيار بين أحدهما أو الآخر. وهنا يعززون بعضهم البعض. صورة بصرية لرقاقة MoS₂ وطيف رامان وصور SEM للجسيمات النانوية المصنعة بأشكال مختلفة: القرص والأسطوانة والغلاف النانوي والمخروط المقطوع / © Applied Photonics يضع العمل الذي قام به الباحثون الأساس لإنشاء جيل جديد من الأجهزة الضوئية النانوية المدمجة – بدءًا من مصادر الإشعاع المتماسكة على الرقاقة إلى عناصر البصريات الكمومية. لقد كانوا قادرين على إظهار أنه من خلال تغيير شكل وحجم جسيمات ثاني كبريتيد الموليبدينوم النانوية، من الممكن ضبط استجابتها غير الخطية على وجه التحديد من خلال التحكم في أوضاع الرنان. في المستقبل، يخطط المؤلفون لإجراء مقارنة كمية لأطياف الجيل التوافقي الثاني التجريبية والمحسوبة. ويتطلع الفريق أيضًا إلى استكشاف الأسطح الخارقة، حيث يمكن للتأثيرات الجماعية أن تزيد من تعزيز الاستجابة غير الخطية بعدة مراتب من حيث الحجم، كما هو موضح في عدد من الدراسات الحديثة للهياكل المستوية.