Un grupo de investigadores de la Universidad de Tohoku, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad Rice, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hanoi, la Universidad de Zhejiang y el Laboratorio Nacional Oak Ridge han propuesto un nuevo mecanismo para mejorar la longitud de onda corta (100-300 nm) luz. ) por generación de segundo armónico (SHG) en un material delgado bidimensional (2D) compuesto enteramente de elementos comunes.

Debido a que la luz ultravioleta con SHG juega un papel importante en equipos de litografía de semiconductores y aplicaciones médicas que no utilizan materiales fluorescentes, este descubrimiento tiene implicaciones importantes para las industrias actuales y todas las aplicaciones ópticas.

Los detalles de la investigación fueron publicados en la revista. ACS Nano el 29 de agosto de 2023. El estudio fue seleccionado como tema de portada.

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) de Janus son una clase específica de materiales 2D, que generalmente consisten en un metal de transición (como molibdeno o tungsteno) intercalado entre dos elementos calcógenos (como azufre, selenio o telurio). Los TMD Janus, que llevan el nombre del dios romano Janus, que tenía dos caras mirando en direcciones opuestas, no tienen simetría reflectante entre dos superficies de un material delgado. Esta asimetría incorporada hace que los materiales Janus-TMD sean adecuados para SHG, especialmente cuando los dos TMD están apilados de manera heterogénea.

SHG es un proceso óptico no lineal en el que dos fotones con la misma frecuencia (ω) interactúan de forma no lineal con la materia y, como resultado, se genera un fotón con el doble de frecuencia (2ω) (o la mitad de la longitud de onda). Básicamente, es un fenómeno en el que la luz entrante se convierte en luz con el doble de frecuencia o la mitad de la longitud de onda.

SHG es importante en diversas aplicaciones, incluida la tecnología láser, la microscopía, la ciencia médica y la física del estado sólido. Los SHG se utilizan para generar luz en longitudes de onda más cortas, lo que puede resultar valioso en áreas como equipos de litografía de semiconductores y aplicaciones médicas, como técnicas de imágenes que no utilizan materiales fluorescentes.

«Nuestro equipo de investigadores ha optimizado las condiciones de SHG en bicapas heterogéneas de materiales 2D Janus TMD», señala Nguyen Tuan Hung, profesor asistente en el Instituto Frontier de Ciencias Interdisciplinarias (FRIS) de la Universidad de Tohoku. “Específicamente, encontramos que el apilamiento AA, donde los átomos de la capa superior no se superponen directamente con los átomos de la capa inferior, y el apilamiento AB, donde los átomos de la capa superior no se superponen directamente con los átomos de la capa inferior, dieron como resultado un mejora triplete.» Dimensiones del anterior en la respuesta óptica no lineal de SHG.» Esta predicción teórica es consistente con el hecho de que la intensidad máxima de SHG es cuatro veces mayor cuando se apila con AA que con AB en el experimento.

«Por lo tanto, propusimos que la densidad de SHG también es una forma útil de determinar cómo se apilan las capas de materiales 2D», dijo Nguyen. Además, los investigadores sugieren que añadir presión lateral (hasta un 20%) a estos materiales podría aumentar significativamente la intensidad de la luz.

«Nuestra investigación introduce una nueva clase de materiales que producen SHG y podemos fabricarlos de forma flexible utilizando materiales 2D», añade Nguyen.

Además de Nguyen, otros participantes incluyen al profesor emérito Rishiro Saito de la Universidad de Tohoku, la profesora Shengxi Huang y su grupo de la Universidad Rice en Estados Unidos, y la profesora Jing Kong y su grupo del MIT.