Mohammad Taghinejad และเพื่อนร่วมงานของสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียใช้แสงในการแปลงวัสดุออปติคัลปกติให้เป็นเครื่องเพิ่มความถี่เป็น สองเท่า เทคนิคนี้สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายตั้งแต่การสร้างอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลแบบออปติกทั้งหมด ไปจนถึงการศึกษาการขุดอุโมงค์ทางกลควอนตัม การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าเป็นผลทางแสงที่เกิดขึ้นในวัสดุอสมมาตรเชิงพื้นที่
ที่มีความไวต่อปฏิกิริยาไม่เชิงเส้นอันดับสอง
โฟตอนสองตัวที่มีความถี่เท่ากันสามารถโต้ตอบกับวัสดุและรวมกันเป็นโฟตอนเดียวที่มีความถี่เป็นสองเท่าของโฟตอนดั้งเดิม แม้ว่าวัสดุที่เป็นผลึกส่วนใหญ่จะไม่มีความสมมาตรที่เหมาะสมในปริมาณที่เท่ากัน แต่ความถี่ที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าอาจเกิดขึ้นที่พื้นผิวและส่วนต่อประสาน อย่างไรก็ตาม การใช้พื้นที่ที่บางมากเหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง
นักวิจัยสามารถสร้างวัสดุจำนวนมากที่มีความไม่สมดุลที่เหมาะสมโดยใช้ความเครียดทางกลหรือสัญญาณไฟฟ้ากับวัสดุที่ปกติสมมาตร ตอนนี้ Taghinejad และเพื่อนร่วมงานได้คิดค้นวิธีสร้างความไม่สมดุลชั่วคราวในไททาเนียมไดออกไซด์โดยใช้แสงเลเซอร์
สามเหลี่ยมทองคำอุปกรณ์ของทีมประกอบด้วยฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์อสัณฐานที่มีความหนา 25 นาโนเมตร ซึ่งปกติจะเป็นวัสดุสมมาตร ซึ่งประกบอยู่ระหว่างฟิล์มทองทึบแสงกับอาร์เรย์ของสามเหลี่ยมทองคำบางๆ เมื่อส่องสว่างด้วยพัลส์พิโควินาทีของแสงเลเซอร์สีแดง อิเล็กตรอนในรูปสามเหลี่ยมจะได้รับพลังงาน และ “อิเล็กตรอนร้อน”
เหล่านี้บางส่วนจะเคลื่อนที่ไปยังไททาเนียมไดออกไซด์
ผ่านทางปลายสามเหลี่ยม สิ่งนี้จะทำลายความสมมาตรของวัสดุชั่วขณะ พัลส์จากเลเซอร์อินฟราเรดจะถูกยิงไปที่อุปกรณ์ด้วย และการวิเคราะห์แสงสะท้อนเผยให้เห็นโฟตอนสีน้ำเงินที่เพิ่มความถี่เป็นสองเท่า
ในขณะที่ความไม่สมดุลเกิดขึ้นเกือบจะในทันทีภายในฟิล์มไททาเนียมไดออกไซด์ ทีมงานพบว่าผลกระทบลำดับที่สองทนได้หลาย picoseconds หลังจากที่ชีพจรสีแดงสิ้นสุดลง พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าการตั้งค่าของพวกเขาสามารถปรับได้แบบไดนามิก โดยจำนวนอิเล็กตรอนที่โยกย้ายขึ้นอยู่กับความเข้มของเลเซอร์ นอกจากนี้ ยังพบว่าสามารถคงเอฟเฟกต์ไว้ได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่อง
ความถี่แสงสองเท่า ‘นาโนคัพส์’ เอียงนี่เป็นตัวอย่างแรกของความไม่สมมาตรที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคเกี่ยวกับการมองเห็นเพียงอย่างเดียว และการค้นพบนี้อาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่หลากหลาย ความสามารถในการใช้สัญญาณไฟหนึ่งสัญญาณเพื่อควบคุมการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าในอีกสัญญาณหนึ่งจะมีประโยชน์มากสำหรับการสร้างส่วนประกอบออปติกทั้งหมดสำหรับการประมวลผลและโทรคมนาคม การประยุกต์ใช้เทคนิคที่เป็นไปได้อื่น ๆ ได้แก่ การตรวจสอบอุโมงค์ควอนตัมเครื่องกลของอิเล็กตรอน
ในการศึกษาในอนาคต Taghinejad และเพื่อนร่วมงาน
วางแผนที่จะสำรวจว่าความแข็งแกร่งของเอฟเฟกต์อันดับสองสามารถขยายให้ใหญ่สุดได้อย่างไรผ่านการผสมผสานระหว่างโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ โดยใช้รูปทรงของวัสดุที่แตกต่างกัน และใช้เลเซอร์ที่มีความถี่ต่างกัน เทคนิคใหม่ในการสร้างฟิล์มกราฟีนที่แบนราบเป็นพิเศษและไม่มีรอยย่นสามารถปูทางสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นที่ใช้กราฟีนและทรานซิสเตอร์ความถี่สูง
เทคนิคนี้ทำงานโดยนำโปรตอนเข้าสู่ฟิล์มในขณะที่กราฟีนถูกสังเคราะห์โดยใช้การสะสมไอเคมี (CVD) และนักประดิษฐ์ของมันกล่าวว่ามันอาจจะขยายไปยังวัสดุสองมิติอื่นๆ เช่น โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) และโลหะทรานซิชัน ไดคัลโคเจไนด์ (TMDCs) นอกจากนี้ยังสามารถช่วยในการพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บไฮโดรเจนที่ทำจากโครงสร้าง 2 มิติแบบเลเยอร์
Graphene ซึ่งเป็นอะตอมของคาร์บอน 2 มิติที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์หลายประการ ในทางตรงกันข้ามกับเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปซึ่งมีช่องว่างพลังงานระหว่างวาเลนซ์อิเล็กตรอนและแถบการนำไฟฟ้า กราฟีนเป็นสารกึ่งตัวนำ “ช่องว่างเป็นศูนย์” ซึ่งหมายความว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอนและแถบการนำไฟฟ้าของมันสัมผัสกันเท่านั้น ที่จุดสัมผัส อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ขีปนาวุธ และพฤติกรรมของพวกมันถูกควบคุมโดยสมการ Dirac สำหรับอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพ ดังนั้นชื่อ “จุด Dirac” สำหรับโครงสร้างวงของกราฟีนในส่วนนี้
ข้อบกพร่องเชิงเส้นจนถึงตอนนี้ พฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์นี้พบเห็นได้เฉพาะในเกล็ดเล็กๆ ของกราฟีนที่ขูดออกหรือลอกออกจากตัวอย่างกราไฟท์จำนวนมาก สะเก็ดเหล่านี้ไม่ใหญ่พอที่จะใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ และถึงแม้ฟิล์มกราฟีนที่มีขนาดใหญ่กว่าแต่สามารถผลิตได้โดยใช้ CVD แต่ประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมันก็ไม่ดีเท่าที่ควร ทั้งนี้เนื่องจากกราฟีนที่ปลูกโดย CVD ซึ่งแตกต่างจากชนิดผลัดเซลล์ผิว มีขอบเขตของเมล็ดพืช ช่องว่างของอะตอม สิ่งสกปรก และริ้วรอย ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่อิเล็กตรอนสามารถกระเจิงขณะเดินทาง ซึ่งทำให้คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเสื่อมโทรมลง
กราฟีนที่ผลิตด้วย CVD มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยย่นเนื่องจากกราฟีนต้องยึดติดกับพื้นผิวของสารตั้งต้นเมื่อโตขึ้น หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของซับสเตรตไม่ตรงกับตัวของกราฟีนเอง การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจนำไปสู่ข้อบกพร่องเชิงเส้น – รอยยับ – ก่อตัวขึ้นในขณะที่ทั้งมวลพยายามปลดปล่อยความเครียดอัด
นักวิจัยได้พยายามลดรอยย่นด้วยการทำ CVD ที่อุณหภูมิต่ำ โดยใช้พื้นผิวที่มีค่าสัมประสิทธิ์ทางความร้อนที่ใกล้เคียงกับกราฟีน และพัฒนาซับสเตรตผลึกเดี่ยว ทีมนักวิจัยที่นำโดยLibo Gao จาก มหาวิทยาลัย Nanjingของจีนได้แสดงให้เห็นว่าการลดปฏิสัมพันธ์ระหว่าง graphene กับสารตั้งต้นอาจเป็นกลยุทธ์ที่ดีและเป็นทางเลือก
