Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) и Калифорнийского университета (UC) в Беркли показали, используя недавнюю теорию нелинейного рассеяния света при прохождении света через наноструктуры, что это возможно. для прогнозирования нелинейно-оптических свойств метаматериалов.«Ключевой вопрос заключался в том, можно ли определить нелинейное поведение метаматериалов по их экзотическому линейному поведению», — говорит Сян Чжан, директор отделения материаловедения лаборатории Беркли и международный авторитет в области инженерии метаматериалов, возглавлявший это исследование. «Мы показали, что относительную нелинейную восприимчивость больших классов метаматериалов можно предсказать с помощью всеобъемлющей теории нелинейного рассеяния.
Это позволит нам эффективно проектировать метаматериалы с сильной нелинейностью для важных приложений, таких как когерентное рамановское зондирование, генерация запутанных фотонов и частота преобразование ".Чжан, заведующий кафедрой Эрнеста С. Ку в Калифорнийском университете в Беркли и член Института нано-наук Кавли в Беркли (Kavli ENSI), является автором статьи, описывающей это исследование, в журнале Nature Materials. Работа называется «Прогнозирование нелинейных свойств метаматериалов по линейному отклику».
Другие авторы — Кевин О’Брайен, Хаим Суховски, Джунсук Ро, Алессандро Саландрино, Бубакар Канте и Сяобо Инь.Уникальные электромагнитные свойства метаматериалов обусловлены их физической структурой, а не химическим составом.
Эта структура, например, обеспечивает определенные метаматериалы с отрицательным показателем преломления, оптическим свойством, при котором фазовый фронт света, проходящего через материал, распространяется назад к источнику. Свет фазового фронта, проходящий через природные материалы, всегда распространяется вперед, от своего источника.Чжан и его группа уже использовали линейные оптические свойства метаматериалов, чтобы создать первый в мире оптический плащ-невидимку, имитирующий черные дыры. Совсем недавно они использовали нелинейный метаматериал с нулевым показателем преломления для создания «нелинейного света без фазового рассогласования», что означает, что световые волны проходят через материал, набирая силу во всех направлениях.
Однако инженерия нелинейных метаматериалов остается в зачаточном состоянии, без каких-либо общих выводов о взаимосвязи между линейными и нелинейными свойствами.В течение последних нескольких десятилетий ученые оценивали нелинейно-оптические свойства природных кристаллов, используя формулировку, известную как «правило Миллера», по словам физика Роберта Миллера, автора этого правила.
В этом новом исследовании Чжан и его группа обнаружили, что правило Миллера не работает для ряда метаматериалов. Это плохие новости.
Хорошей новостью является то, что теория нелинейного рассеяния света, разработанная для наноструктур голландским ученым Сильви Рок, подходит.«По линейным свойствам вычисляется нелинейная поляризация и режим наноструктуры на второй гармонике», — говорит Кевин О’Брайен, соавтор статьи в Nature Materials и член исследовательской группы Чжана. «Мы обнаружили, что нелинейное излучение пропорционально интегралу перекрытия между ними, а не просто определяется их линейным откликом».
Чжан, О’Брайен, Суховски и другие участники этого исследования оценили правило Миллера и теорию нелинейного рассеяния света, сравнивая свои предсказания с экспериментальными результатами, полученными с помощью конфокального микроскопа с нелинейным сканирующим экраном.«Нелинейная конфокальная микроскопия со сканирующим этапом имеет решающее значение, поскольку она позволяет нам быстро измерять нелинейное излучение тысяч различных наноструктур, сводя к минимуму потенциальные систематические ошибки, такие как вариации интенсивности или наведения луча, часто связанные с настройкой длины волны сверхбыстрого лазера, "- говорит О’Брайен.Исследователи использовали конфокальную микроскопию, чтобы наблюдать генерацию второй гармоники из массивов метаматериалов, геометрия которых постепенно менялась от симметричной формы стержня к асимметричной U-образной форме. Вторая гармоника света — это нелинейное оптическое свойство, при котором фотоны с одинаковой частотой взаимодействуют с нелинейным материалом, создавая новые фотоны с удвоенной энергией и половиной длины волны оригинала.
Открытие в 1961 году генерации второй оптической гармоники положило начало современной нелинейной оптике.«Наши результаты показывают, что теория нелинейного рассеяния может быть ценным инструментом при разработке нелинейных метаматериалов не только для нелинейных оптических откликов второго, но и более высокого порядка в широком диапазоне длин волн», — говорит О’Брайен. «Сейчас мы используем эти экспериментальные и теоретические методы для исследования других нелинейных процессов в метаматериалах, таких как параметрическое усиление и генерация запутанных фотонов».