Polaritonics - Polaritonics

Obrázek 1: Polaritonika může vyřešit nesoulad mezi elektronikou, která trpí technologickými a fyzickými překážkami pro zvýšení rychlosti, a fotonikou, která vyžaduje ztrátovou integraci zdroje světla a vodících struktur. jiný kvazičástice / kolektivní buzení jako např Magnon -polaritony a exciton -polaritony, jejich umístění identifikované výše, mohou být využitelné stejným způsobem, jakým byly phonon-polaritony pro polaritoniku.

Polaritonics je přechodný režim mezi fotonika a sub-mikrovlnná trouba elektronika (viz obr. 1). V tomto režimu jsou signály přenášeny příměsí elektromagnetické a mřížka vibrační vlny známý jako phonon-polaritony, spíše než proudy nebo fotony. Protože se fononové polaritony množí s frekvence v rozmezí stovek gigahertz několika terahertz Polaritonika překlenuje mezeru mezi elektronikou a fotonikou. Působivou motivací pro polaritoniku je poptávka po vysoké rychlosti zpracování signálu a lineární a nelineární terahertz spektroskopie. Polaritonics má oproti elektronice, fotonice a tradiční terahertzové spektroskopii zřetelné výhody v tom, že nabízí potenciál pro plně integrovanou platformu, která podporuje generování terahertzových vln, vedení, manipulaci a odečítání v jediném vzorovaném materiálu.

Polaritonika, stejně jako elektronika a fotonika, vyžaduje tři prvky: robustní generování křivek, detekci a vedení a ovládání. Bez všech tří by se polaritonika redukovala na pouhé fononové polaritony, stejně jako elektronika a fotonika by se redukovala jen na elektromagnetické záření. Tyto tři prvky lze kombinovat, aby umožnily funkčnost zařízení podobnou funkci v elektronice a fotonice.

Ilustrace

Obrázek 2: Fantastické zobrazení polaritického obvodu ilustrující plně integrovanou generaci terahertzových vln, vedení, manipulaci a odečet v jediném vzorovaném materiálu. Fonon-polaritony jsou generovány v levém horním a pravém dolním rohu zaostřováním femtosekunda optické excitační impulsy do krystalu poblíž vchodů vlnovodu. Fonon-polaritony se šíří bočně od excitační oblasti a do vlnovodů. Zpracování signálu a funkčnost obvodů usnadňují rezonanční dutiny, reflektory, zaostřovací prvky, spojené vlnovody, rozdělovače, slučovače, interferometry a fotonické bandgapové struktury vytvořené frézováním kanálů, které se plně táhnou po celé tloušťce krystalu.

Pro ilustraci funkčnosti polaritických zařízení zvažte hypotetický obvod na obr. 2 (vpravo). Optické excitační impulsy, které generují fononové polaritony, v levém horním a pravém dolním rohu krystalu vstupují kolmo k obličeji krystalu (na stránku). Výsledné fononové polaritony budou cestovat bočně od excitačních oblastí. Vstup do vlnovody usnadňují reflexní a zaostřovací struktury. Fonon-polaritony jsou vedeny obvodem pomocí terahertzových vlnovodů vyřezaných do krystalu. Funkčnost obvodu spočívá ve struktuře interferometru v horní části a ve struktuře spřaženého vlnovodu ve spodní části obvodu. Ten zaměstnává a fotonická bandgap konstrukce s vadou (žlutá), kterou by mohla poskytnout bistabilita pro spojený vlnovod.

Generování průběhů

Fonon-polaritony generované v feroelektrický krystaly se šíří téměř laterálně do excitačního pulzu kvůli vysoké dielektrikum konstanty feroelektrický krystaly, což usnadňuje snadné oddělení fononových polaritonů od excitačních pulsů, které je generovaly. Fonon-polaritony jsou proto k dispozici pro přímé pozorování, stejně jako koherentní manipulaci, protože se pohybují z oblasti excitace do jiných částí krystalu. Laterální šíření je rozhodující pro polaritonickou platformu, ve které generování a šíření probíhá v jediném krystalu. Úplné zacházení s Čerenkovovo záření - jako terahertzová vlnová odezva ukazuje, že obecně existuje také komponenta dopředného šíření, která musí být v mnoha případech zvážena.

Detekce signálu

Přímé pozorování šíření fonon-polariton bylo umožněno zobrazováním v reálném prostoru, ve kterém jsou prostorové a časové profily fonon-polaritonů zobrazeny na CCD kamera pomocí převodu fáze na amplitudu Talbot. To samo o sobě bylo mimořádným průlomem. Bylo to poprvé, co byly elektromagnetické vlny zobrazeny přímo a vypadaly podobně jako vlnky v rybníku, když skála padá přes vodní hladinu (viz obr. 3). Zobrazování v reálném prostoru je upřednostňovanou detekční technikou v polaritonice, ačkoli jiné konvenčnější techniky, jako je optická Kerr-gating, časově rozlišeny difrakce, interferometrické snímání a terahertzové pole indukované generace druhé harmonické jsou užitečné v některých aplikacích, kde není snadné použít zobrazování v reálném prostoru. Například vzorované materiály s velikostí prvků v řádu několika desítek mikrometry způsobit parazitní rozptyl zobrazovacího světla. Detekce phonon-polariton je pak možná pouze zaostřením konvenčnější sondy, jako jsou ty, které byly zmíněny výše, do nepoškozené oblasti krystalu.

Obrázek 3: Rámečky z filmu phonon-polariton o generování a šíření širokopásmového phonon-polaritonu v lithium niobátu pořízené pomocí zobrazování v reálném prostoru. První snímek ukazuje počáteční fononové polaritony v době generování. Bezprostředně poté putují vlnové balíčky pryč z oblasti buzení v obou směrech. Druhý snímek, získaný 30 ps po generaci, ukazuje dva fononové polaritony cestující doprava. První (vlevo) je odrazem původního levého vlnového balíčku a druhý původně cestoval doprava.

Vedení a kontrola

Posledním prvkem nezbytným pro polaritoniku je vedení a ovládání. Úplného bočního šíření rovnoběžně s rovinou krystalu je dosaženo generováním fononových polaritonů v krystalech o tloušťce řádově vlnové délky fonon-polariton. To donutí šíření probíhat v jednom nebo více z dostupných režimů vlnovodu desky. Disperze v těchto režimech se však může radikálně lišit od disperze v hromadném šíření, a aby bylo možné ji využít, je třeba disperzi porozumět.

Řízení a vedení šíření fonon-polariton lze dosáhnout také pomocí vedených vln, reflexních, difrakčních a disperzních prvků, stejně jako fotonických a účinných indexových krystalů, které lze integrovat přímo do hostitelského krystalu. Nicméně, lithium niobát, lithium tantalát, a další perovskity jsou nepropustné pro standardní techniky vzorování materiálů. Ve skutečnosti jediný leptadlo je známo, že je dokonce okrajově úspěšná kyselina fluorovodíková (HF), který leptá pomalu a převážně ve směru osy krystalové optiky.

Laserové mikroobrábění

Femtosekundový laser mikroobrábění se používá pro výrobu zařízení frézováním „vzduchových“ otvorů a / nebo žlabů do feroelektrických krystalů jejich směrováním přes zaostřovací oblast femtosekundového laserového paprsku. Toto je první ukázka pohodlného, ​​kontrolovatelného a rychlého poškození ve velkém měřítku vyvolaném lithium niobátem a lithium tantalátem. Výhody femtosekundového laserového mikroobrábění pro širokou škálu materiálů byly dobře zdokumentovány. Stručně řečeno, volné elektrony jsou vytvářeny v ohnisku paprsku prostřednictvím multiphotonové excitace. Protože špičková intenzita femtosekundového laserového pulsu je o mnoho řádů vyšší než intenzita z delších laserů s pulzními nebo kontinuálními vlnami, elektrony se rychle zrychlují a zahřívají za vzniku plazmy. Elektrostatická nestabilita způsobená plazma, zbývající mřížky ionty vede k ejekci těchto iontů, a tudíž ablace materiálu, takže v oblasti laserového zaostření zůstane materiál prázdný. Vzhledem k tomu, že v ohnisku paprsku jsou vždy k dispozici volné fotony vzrušené volnými fotony, dochází k vysoce rovnoměrnému a opakovatelnému poškození omezenému na oblast laserového zaostření. Vzhledem k tomu, že časová měřítka trvání pulsu a doby ablace jsou mnohem rychlejší než doba termalizace, femtosekundový laserový mikroobrábění netrpí nepříznivými účinky tepelně ovlivněné zóny, jako je praskání a tavení v oblastech sousedících se zamýšlenou oblastí poškození.

Viz také

Reference

  • Feurer, T .; Stoyanov, Nikolay S .; Ward, David W .; Vaughan, Joshua C .; Statz, Eric R .; Nelson, Keith A. (2007). „Terahertz Polaritonics“. Roční přehled materiálového výzkumu. Výroční recenze. 37 (1): 317–350. doi:10.1146 / annurev.matsci.37.052506.084327. ISSN  1531-7331.
  • Ward, D.W .; Statz, E.R .; Nelson, K.A. (07.10.2006). „Výroba polaritonických struktur v LiNbO3 a LiTaO3 pomocí femtosekundového laserového obrábění ". Aplikovaná fyzika A. Springer Science and Business Media LLC. 86 (1): 49–54. doi:10.1007 / s00339-006-3721-r. ISSN  0947-8396.
  • David W. Ward: Polaritonics: Přechodný režim mezi elektronikou a fotonikou, Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2005. Toto je hlavní reference pro tento článek.
  • Ward, David W .; Statz, Eric R .; Nelson, Keith A .; Roth, Ryan M .; Osgood, Richard M. (10.01.2005). „Generování a šíření terahertzových vln v tenkovrstvém lithium niobátu produkovaném krájením iontů krystalů“. Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 86 (2): 022908. doi:10.1063/1.1850185. ISSN  0003-6951.
  • Ward, David W .; Beers, Jaime D .; Feurer, T .; Statz, Eric R .; Stoyanov, Nikolay S .; Nelson, Keith A. (2004-11-15). "Koherentní řízení phonon-polaritonů v terahertzovém rezonátoru vyrobeném femtosekundovým laserovým obráběním". Optická písmena. Optická společnost. 29 (22): 2671-2673. doi:10,1364 / ol.29.002671. ISSN  0146-9592.
  • Feurer, T .; Vaughan, Joshua C .; Nelson, Keith A. (2003-01-17). "Spatiotemporal koherentní řízení mřížkových vibračních vln". Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 299 (5605): 374–377. doi:10.1126 / science.1078726. ISSN  0036-8075.
  • Stoyanov, Nikolay S .; Feurer, T .; Ward, David W .; Nelson, Keith A. (2003-02-03). "Integrované difrakční terahertzové prvky". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 82 (5): 674–676. doi:10.1063/1.1540241. ISSN  0003-6951.
  • Stoyanov, Nikolay S .; Ward, David W .; Feurer, Thomas; Nelson, Keith A. (02.09.2002). "Terahertzovo šíření polaritonu ve vzorovaných materiálech". Přírodní materiály. Springer Nature. 1 (2): 95–98. doi:10.1038 / nmat725. ISSN  1476-1122.

externí odkazy