All-optical switching of nonlinear structured light in crystal-engineered van der Waals materials

Stel je licht niet alleen voor als een straal die dingen aan- en uitzet, maar als een danser. Meestal danst het licht in een rechte lijn en draagt het informatie over als een eenvoudige aan/uit-schakelaar. Maar er is een speciale soort dans genaamd "gestructureerd licht", waarbij de straal als een kurkentrekker draait terwijl hij reist. Deze draai wordt "Orbital Angular Momentum" (OAM) genoemd. Denk hierbij aan een wenteltrap: hoe hoger het aantal draaiingen, hoe meer "treden" het licht heeft. Dit is een superkracht voor de technologie van de toekomst, omdat het ons in staat stelt om veel meer gegevens in een enkele lichtstraal te verpakken, vergelijkbaar met hoe een brede snelweg meer auto's kan vervoeren dan een smal onverhard weggetje.

Lange tijd wilden wetenschappers deze draaiende dans direct en op een minuscule chip beheersen, precies daar waar het licht wordt opgewekt. Maar de instrumenten die ze gebruikten, waren als enorme, onhandige bouwkranen—groot, traag en gescheiden van de lichtbron zelf. Ze konden de draai wel veranderen, maar dat kostte tijd en ruimte. De grote vraag was: Kunnen we een piekleine, supersnelle machine bouwen die niet alleen deze draaiende stralen kan creëren, maar ook hun richting en vorm in een oogwenk kan veranderen, allemaal binnen één enkel microscopisch stuk materiaal?

Dit artikel vertelt het verhaal van hoe een team wetenschappers precies dat heeft gebouwd. Ze gebruikten geen zware machines; in plaats daarvan hebben ze een "magisch kristal" ontworpen gemaakt van een materiaal genaamd 3R-MoS2, een type van der Waals-materiaal. Stel je dit materiaal voor als een stapel papierdunne vellen, zo dun dat 46 van deze vellen opgestapeld nauwelijks met het blote oog zichtbaar zouden zijn. De wetenschappers namen dit ultradunne vel en sneden het in vier kleine vierkantjes, als een puzzel. Daarna draaiden ze elk vierkantje een klein beetje—0°, 30°, 60° en 90°—en plakten ze weer aan elkaar.

Dit is het slimme gedeelte: vanwege de manier waarop de atomen binnen deze kristallen zijn gerangschikt, werkt de hoek van elk vierkant als een stuurwiel voor het licht. Wanneer ze een laser door dit "puzzelkristal" lieten schijnen, ging het licht er niet alleen doorheen; het kreeg een draai. Door de vertraging tussen twee fundamentele frequentie-laserpulsen aan te passen met sub-optische-cyclus precisie, konden de wetenschappers de output schakelen. Het ene moment kwam het licht naar buiten als een straal met een draai naar links (een Laguerre-Gaussian vortex met een topologische lading van -1); het volgende moment flipte het naar een draai naar rechts (lading van +1), of veranderde zelfs in een compleet andere vorm, een Hermite-Gaussian straal (zonder draai).

De onderzoekers hebben dit gedemonstreerd met een monster van slechts 46 nanometer dik, wat ongelooflijk dun is. Ze bewezen dat ze, door simpelweg de kristalstukken te roteren en de timing van de laser aan te passen, deze complexe, draaiende stralen konden genereren zonder enige logge externe lenzen of langzaam bewegende onderdelen. Het artikel laat zien dat deze "kristal-geëngineerde" aanpak werkt in een enkel, solide stuk materiaal, waarbij het licht wordt gecreëerd en gevormd op hetzelfde moment. Hoewel ze bevestigden dat dit werkt door middel van zorgvuldige metingen en computersimulaties, suggereren de resultaten een nieuwe manier om kleine, snelle en herconfigureerbare lichtbronnen te bouwen. Dit zou een grote stap kunnen zijn naar het maken van toekomstige computers en communicatieapparaten die licht gebruiken in plaats van elektriciteit, waardoor ze kleiner, sneller en in staat zijn om veel meer informatie te dragen dan ooit tevoren.