Al2O3 barrier-controlled sign reversal and giant enhancement of third-order optical nonlinearity in Ag/AuNP-Al2O3-PdO nanocomposite films under femtosecond excitation.

Licht gedraagt zich op vreemde manieren wanneer het in de kleinste mogelijke ruimtes wordt samengeperst. Decennialang wisten wetenschappers dat minuscule metaaldeeltjes, wanneer ze door een laser worden geraakt, lichtenergie zo intens kunnen concentreren dat het materiaal zelf begint te veranderen in hoe het dat licht buigt en absorbeert. Dit effect, bekend als niet-lineariteit, is de sleutel tot het bouwen van ultrasnelle optische schakelaars en beschermende lenzen die in een fractie van een seconde verblindende lichtflitsen kunnen blokkeren. Het controleren van deze veranderingen is echter een hardnekkige uitdaging gebleken. Onderzoekers worstelden er niet alleen mee om het effect sterker te maken, maar ook om te beslissen of het materiaal het licht zal focussen of juist zal verspreiden, een eigenschap die wordt bepaald door het teken van de optische respons. Het vermogen om deze schakelaar naar believen om te zetten, met behulp van eenvoudige structurele veranderingen in plaats van complexe chemische recepten, bleef een van de moeilijkste puzzels in het vakgebied van de nanofotonica.

Een team van onderzoekers in Oekraïne heeft dit puzzelstuk nu opgelost door een specifiek type gelaagde film te ontwerpen die afgestemd kan worden om precies te doen wat nodig is. Ze creëerden een zandwichachtige structuur bestaande uit een basis van zilver- en goudnanodeeltjes, een dunne isolerende laag van aluminiumoxide en een bovenste laag van palladiumoxide. De cruciale innovatie was het variëren van de dikte van die middelste aluminiumoxidelag, die fungeert als een barrière tussen de metaaldeeltjes en de bovenste oxide. Door deze barrière te veranderen van 1,5 nanometer naar 12 nanometer, waren ze in staat om het teken van de optische respons van het materiaal systematisch om te keren en de sterkte ervan met meer dan duizend keer te vergroten. Dit werk demonstreert dat door simpelweg de afstand tussen lagen in een nanocomposiet aan te passen, wetenschappers het materiaal kunnen programmeren om licht ofwel te focussen ofwel te absorberen, wat de deur opent naar een nieuwe generatie afstelbare optische apparaten.

De onderzoekers begonnen met het construeren van deze films op glazen slides. Eerst brachten ze een laag zilver en een dunne coating van goud aan, en verhitten ze het materiaal totdat het uiteenviel in kleine eilandjes, of nanodeeltjes, variërend in grootte van 30 tot 120 nanometer. Bovenop deze metaaleilandjes kweekten ze een barrière van aluminiumoxide in drie verschillende diktes: 1,5 nanometer, 6 nanometers en 12 nanometers. Ten slotte bedekten ze de helft van elk monster met een 16-nanometer dikke laag palladiumoxide, waarbij de andere helft als controle diende. Deze opstelling stelde hen in staat om exact dezelfde metaaleilandjes onder identieke omstandigheden te vergelijken, waarbij het enige verschil de aanwezigheid van de bovenste oxidelaag en de dikte van de barrière eronder was. Vervolgens vuurden ze ultrakorte laserpulsen op deze monsters, waarbij ze twee verschillende kleuren licht gebruikten: één in het nabij-infrarood bereik en een andere in het violette bereik.

Wanneer ze de monsters testten met het infrarode licht, observeerden ze een opmerkelijke omkering van gedrag afhankelijk van de dikte van de barrière. In de monsters met de dunste barrière gedroeg het materiaal zich als een zelf-defocuserend medium, waardoor het licht verspreid werd. In het monster met de dikste barrière schakelde het materiaal over naar een zelf-focuserende modus, waarbij het licht naar binnen werd gebogen. Deze schakeling vond plaats omdat de dikke barrière verhinderde dat energetische elektronen van de metaaldeeltjes naar de bovenste oxidelaag sprongen. Zonder deze elektronoverdracht nam de natuurlijke respons van het palladiumoxide het over, waardoor het teken van het optische effect werd omgedraaid. In het middelste monster was het effect positief, maar vond er geen omkering plaats. Belangrijker nog, het toevoegen van de bovenste oxidelaag maakte de optische respons drastisch sterker. In het monster met de 6-nanometer dikke barrière nam de sterkte van het niet-lineaire effect met een factor 1.625 toe vergeleken met het monster zonder de bovenste laag. Deze enorme boost kwam niet door het feit dat het materiaal het licht meer boog, maar eerder door zijn vermogen om licht op een zeer niet-lineaire manier te absorberen, een eigenschap die wordt gedreven door de intense interactie tussen de metaaldeeltjes en de oxidelaag.

De resultaten waren nog complexer toen de onderzoekers overschakelden naar het violette laserlicht. Bij deze kortere golflengte veranderde het gedrag van het materiaal afhankelijk van de intensiteit van de laserstraal. In het monster met de dunste barrière vertoonde het materiaal een stabiele, voorspelbare respons naarmate het licht helderder werd. Echter, het monster met de 6-nanometer dikke barrière vertoonde een uniek tweestapsgedrag. Bij lagere lichtintensiteiten raakte het materiaal snel verzadigd, maar naarmate de intensiteit toenam, was er plotseling veel meer energie nodig om opnieuw te verzadigen. Dit gaf aan dat het licht eerst één type energieval binnen het materiaal vulde en daarna een ander type. In het monster met de dikste barrière was de respons niet-monotoon, met een stijgend en dalend patroon dat suggereerde dat de elektronen binnen de metaaldeeltjes gevangen zaten en niet konden ontsnappen, wat leidde tot een opbouw van aangeslagen toestanden die de eigenschappen van het materiaal op een complexe manier beïnvloedden.

De studie bevestigt dat de dikte van de isolerende barrière de hoofdbesturing is voor het beheersen van deze optische eigenschappen. Door deze enkele parameter af te stemmen, konden de onderzoekers beslissen of het materiaal zou fungeren als een zelf-focuserende lens of een zelf-defocuserende verspreider, en of het licht zou absorberen of door te laten. De bevindingen suggereren dat deze nanocomposietfilms niet slechts passieve materialen zijn, maar actieve, programmeerbare componenten. Het vermogen om een dergelijke enorme versterking van de optische niet-lineariteit te bereiken, gecombineerd met de precieze controle over het teken en het mechanisme, wijst naar een toekomst waarin optische schakelaars en lichtlimiteerders met atomische precisie kunnen worden ontworpen. Het werk vestigt een duidelijke set ontwerpregels voor het creëren van materialen die de intense, snelle lichtpulsen kunnen verwerken die vereist zijn voor de volgende generatie computertechnologie en telecommunicatie, en bewijst dat de sleutel tot het beheersen van licht op nanoschaal ligt in de zorgvuldige engineering van de ruimtes tussen atomen.