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Articulo de referencia

Polaritónica

Figura 1 : La polaritónica podría resolver la incongruencia entre la electrónica, que sufre barreras tecnológicas y físicas para aumentar la velocidad, y la fotónica, que requie...

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Figura 1 : La polaritónica podría resolver la incongruencia entre la electrónica, que sufre barreras tecnológicas y físicas para aumentar la velocidad, y la fotónica, que requiere una integración con pérdidas de la fuente de luz y las estructuras de guía. Otras cuasipartículas /excitaciones colectivas, como los polaritones de magnón y los polaritones de excitón , cuya ubicación se identificó anteriormente, podrían aprovecharse de la misma manera que los polaritones de fonón se han aprovechado para la polaritónica.

La polaritónica es un régimen intermedio entre la fotónica y la electrónica de submicroondas (véase la figura 1). En este régimen, las señales se transmiten mediante una mezcla de ondas electromagnéticas y vibracionales de la red, conocidas como fonón - polaritones , en lugar de corrientes o fotones . Dado que los fonón-polaritones se propagan con frecuencias que van desde cientos de gigahercios hasta varios terahercios , la polaritónica cierra la brecha entre la electrónica y la fotónica. Una motivación importante para la polaritónica es la demanda de procesamiento de señales de alta velocidad y espectroscopia de terahercios lineal y no lineal . La polaritónica presenta claras ventajas sobre la electrónica, la fotónica y la espectroscopia de terahercios tradicional, ya que ofrece el potencial de una plataforma totalmente integrada que permite la generación, la guía, la manipulación y la lectura de ondas de terahercios en un único material estructurado.

La polaritónica, al igual que la electrónica y la fotónica, requiere tres elementos: generación, detección y control robustos de formas de onda. Sin estos tres, la polaritónica se reduciría a fonones-polaritones, del mismo modo que la electrónica y la fotónica se reducirían a radiación electromagnética. Estos tres elementos pueden combinarse para lograr una funcionalidad de los dispositivos similar a la de la electrónica y la fotónica.

Ilustración

Figura 2 : Representación esquemática de un circuito polaritónico que ilustra la generación, guía, manipulación y lectura de ondas de terahercios totalmente integradas en un único material estructurado. Los fonón-polaritones se generan en las esquinas superior izquierda e inferior derecha al enfocar pulsos de excitación óptica de femtosegundos en el cristal cerca de las entradas de las guías de onda. Los fonón-polaritones se propagan lateralmente desde la región de excitación hacia las guías de onda. El procesamiento de la señal y la funcionalidad del circuito se facilitan mediante cavidades resonantes, reflectores, elementos de enfoque, guías de onda acopladas, divisores, combinadores, interferómetros y estructuras de banda prohibida fotónica creadas mediante canales de fresado que se extienden por todo el espesor del cristal.

Para ilustrar la funcionalidad de los dispositivos polaritónicos, consideremos el circuito hipotético de la figura 2 (derecha). Los pulsos de excitación óptica que generan fonón-polaritones, situados en la parte superior izquierda e inferior derecha del cristal, inciden perpendicularmente a la cara del cristal (hacia el interior de la página). Los fonón-polaritones resultantes se propagarán lateralmente desde las regiones de excitación. La entrada en las guías de onda se facilita mediante estructuras reflectantes y de enfoque. Los fonón-polaritones se guían a través del circuito mediante guías de onda de terahercios grabadas en el cristal. La funcionalidad del circuito reside en la estructura del interferómetro en la parte superior y en la estructura de guía de onda acoplada en la parte inferior. Esta última emplea una estructura de banda prohibida fotónica con un defecto (amarillo) que podría proporcionar biestabilidad a la guía de onda acoplada.

Generación de forma de onda

Los fonón-polaritones generados en cristales ferroeléctricos se propagan casi lateralmente al pulso de excitación debido a las altas constantes dieléctricas de estos cristales, lo que facilita su separación de los pulsos de excitación que los generaron. Por lo tanto, los fonón-polaritones pueden observarse directamente y manipularse de forma coherente a medida que se desplazan desde la región de excitación hacia otras partes del cristal. La propagación lateral es fundamental para una plataforma polaritónica en la que la generación y la propagación tienen lugar en un solo cristal. Un análisis exhaustivo de la respuesta de ondas de terahercios tipo radiación Cherenkov revela que, en general, también existe un componente de propagación hacia adelante que debe considerarse en muchos casos.

Detección de señales

La observación directa de la propagación de fonones-polaritones fue posible gracias a la obtención de imágenes en el espacio real, en la que los perfiles espaciales y temporales de los fonones-polaritones se proyectan sobre una cámara CCD mediante la conversión de fase a amplitud de Talbot. Esto, por sí solo, representó un avance extraordinario. Fue la primera vez que se obtuvieron imágenes directas de ondas electromagnéticas, que se asemejan a las ondas que se forman en un estanque cuando una roca cae a través de la superficie del agua (véase la figura 3). La obtención de imágenes en el espacio real es la técnica de detección preferida en polaritónica, aunque otras técnicas más convencionales, como la compuerta Kerr óptica, la difracción resuelta en el tiempo , la sonda interferométrica y la generación de segundo armónico inducida por campos de terahercios , resultan útiles en algunas aplicaciones donde la obtención de imágenes en el espacio real no es fácilmente aplicable. Por ejemplo, los materiales con patrones cuyas dimensiones son del orden de unas pocas decenas de micrómetros provocan dispersión parásita de la luz de imagen. La detección de fonones-polaritones solo es posible enfocando una sonda más convencional, como las mencionadas anteriormente, en una región intacta del cristal.

Figura 3 : Fotogramas de una película de polaritones de fonones de banda ancha que muestra la generación y propagación de polaritones de fonones en niobato de litio, obtenidos mediante imágenes en el espacio real. El primer fotograma muestra los polaritones de fonones iniciales en el momento de su generación. Inmediatamente después, los paquetes de ondas se alejan de la región de excitación en ambas direcciones. El segundo fotograma, tomado 30 ps después de la generación, muestra dos polaritones de fonones que se desplazan hacia la derecha. El primero (izquierdo) es el reflejo del paquete de ondas inicial que se desplazaba hacia la izquierda, y el otro se desplazaba inicialmente hacia la derecha.

Orientación y control

El último elemento necesario para la polaritónica es la guía y el control. La propagación lateral completa, paralela al plano cristalino, se logra generando fonón-polaritones en cristales con un espesor del orden de la longitud de onda del fonón-polaritón. Esto obliga a que la propagación tenga lugar en uno o más de los modos de guía de onda planos disponibles. Sin embargo, la dispersión en estos modos puede ser radicalmente diferente a la de la propagación en el volumen, y para aprovecharla, es necesario comprender dicha dispersión.

El control y la guía de la propagación de fonones-polaritones también pueden lograrse mediante elementos de onda guiada, reflectantes, difractivos y dispersivos, así como cristales fotónicos y de índice efectivo que pueden integrarse directamente en el cristal huésped. Sin embargo, el niobato de litio , el tantalato de litio y otras perovskitas son impermeables a las técnicas estándar de modelado de materiales. De hecho, el único agente de grabado conocido que ha tenido un éxito mínimo es el ácido fluorhídrico (HF), que graba lentamente y predominantemente en la dirección del eje óptico del cristal.

Micromecanizado láser

El micromecanizado láser de femtosegundos se utiliza para la fabricación de dispositivos mediante el fresado de agujeros y/o surcos de "aire" en cristales ferroeléctricos dirigiéndolos a través de la región focal de un haz láser de femtosegundos. Las ventajas del micromecanizado láser de femtosegundos para una amplia gama de materiales han sido bien documentadas. [ 1 ] En resumen, se crean electrones libres dentro del foco del haz a través de la excitación multifotónica . Debido a que la intensidad máxima de un pulso láser de femtosegundos es muchos órdenes de magnitud mayor que la de los láseres de pulso más largo o de onda continua, los electrones se excitan rápidamente, se calientan para formar un plasma cuántico . Particularmente en materiales dieléctricos, la inestabilidad electrostática, inducida por el plasma , de los iones de red restantes da como resultado la eyección de estos iones y por lo tanto la ablación del material, [ 2 ] dejando un vacío de material en la región focal del láser. Además, dado que la duración del pulso y las escalas de tiempo de ablación son mucho más rápidas que el tiempo de termalización , el micromecanizado láser de femtosegundos no sufre los efectos adversos de una zona afectada por el calor, como el agrietamiento y la fusión en regiones vecinas a la zona de daño prevista. [ 3 ]

Véase también

Referencias externas

  • Feurer, T.; Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Vaughan, Joshua C.; Statz, Eric R.; Nelson, Keith A. (2007). "Terahertz Polaritonics". Annual Review of Materials Research . 37 (1). Annual Reviews : 317– 350. Bibcode : 2007AnRMS..37..317F . doi : 10.1146/annurev.matsci.37.052506.084327 . ISSN 1531-7331 . S2CID 33353438 .  
  • Ward, DW; Statz, ER; Nelson, KA (2006-10-07). "Fabricación de estructuras polaritónicas en LiNbO 3 y LiTaO 3 mediante mecanizado láser de femtosegundos". Applied Physics A . 86 (1). Springer Science and Business Media LLC: 49– 54. doi : 10.1007/s00339-006-3721-y . ISSN 0947-8396 . S2CID 96281166 .  
  • David W. Ward: Polaritónica: Un régimen intermedio entre la electrónica y la fotónica , tesis doctoral, Instituto Tecnológico de Massachusetts, 2005. Esta es la referencia principal de este artículo.
  • Ward, David W.; Statz, Eric R.; Nelson, Keith A.; Roth, Ryan M.; Osgood, Richard M. (10 de enero de 2005). "Generación y propagación de ondas de terahercios en niobato de litio de película delgada producido por corte iónico de cristal" . Applied Physics Letters . 86 (2). AIP Publishing: 022908. Bibcode : 2005ApPhL..86b2908W . 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). "Control coherente de fonones-polaritones en un resonador de terahercios fabricado con mecanizado láser de femtosegundos". Optics Letters . 29 (22). The Optical Society: 2671– 3. Bibcode : 2004OptL...29.2671W . doi : 10.1364/ol.29.002671 . ISSN 0146-9592 . PMID 15552680 .  
  • Feurer, T.; Vaughan, Joshua C.; Nelson, Keith A. (2003-01-17). "Control coherente espaciotemporal de ondas vibracionales de red". Science . 299 (5605). Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS): 374– 377. Bibcode : 2003Sci...299..374F . doi : 10.1126/science.1078726 . ISSN 0036-8075 . PMID 12532012 . S2CID 19627306 .   
  • Stoyanov, Nikolay S.; Feurer, T.; Ward, David W.; Nelson, Keith A. (2003-02-03). "Elementos de terahercios difractivos integrados". Applied Physics Letters . 82 (5). AIP Publishing: 674– 676. Bibcode : 2003ApPhL..82..674S . doi : 10.1063/1.1540241 . ISSN 0003-6951 . 
  • Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Feurer, Thomas; Nelson, Keith A. (2002-09-02). "Propagación de polaritones de terahercios en materiales con patrones". Nature Materials . 1 (2). Springer Nature: 95– 98. Bibcode : 2002NatMa...1...95S . doi : 10.1038/nmat725 . ISSN 1476-1122 . PMID 12618821 . S2CID 9066991 .   
  • El grupo de investigación del MIT que inventó la polaritónica.

Referencias

  1. ↑ Bonse, J.; Krüger, J.; Höhm, S.; Rosenfeld, A. (2012-07-16). "Estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundos" . Journal of Laser Applications . 24 (4): 042006. Bibcode : 2012JLasA..24d2006B . doi : 10.2351/1.4712658 . ISSN 1042-346X . 
  2. ↑ Bulgakova, NM; Stoian, R.; Rosenfeld, A.; Hertel, IV; Marine, W.; Campbell, EEB (2005-07-01). "Un enfoque continuo general para describir el transporte electrónico rápido en materiales irradiados con láser pulsado: El problema de la explosión de Coulomb" . Applied Physics A. 81 ( 2): 345– 356. Bibcode : 2005ApPhA..81..345B . doi : 10.1007/s00339-005-3242-0 . ISSN 1432-0630 . 
  3. ^ Jeschke, Harald O.; García, Martín E.; Lenzner, Matías; Bonse, Jörn; Krüger, Jörg; Kautek, Wolfgang (30 de septiembre de 2002). "Umbrales de ablación por láser de silicio para diferentes duraciones de pulso: teoría y experimento" . Ciencia de superficies aplicada . COLA'01 SI. 197– 198: 839– 844. Código bibliográfico : 2002ApSS..197..839J . doi : 10.1016/S0169-4332(02)00458-0 . ISSN 0169-4332 .