La polaritónica es un régimen intermedio entre la fotónica y la electrónica submicroondas (ver Fig. 1). En este régimen, las señales son transportadas por una mezcla de ondas vibratorias electromagnéticas y reticulares conocidas como fonon- polaritones , en lugar de corrientes o fotones . Dado que los fonones-polaritones se propagan con frecuencias en el rango de cientos de gigahercios a varios terahercios , la polaritónica cierra la brecha entre la electrónica y la fotónica. Una motivación convincente para la polaritónica es la demanda de procesamiento de señales de alta velocidad.y espectroscopía de terahercios lineal y no lineal . La polaritónica tiene distintas ventajas sobre la electrónica, la fotónica y la espectroscopia de terahercios tradicional, ya que ofrece el potencial de una plataforma totalmente integrada que admite la generación, guía, manipulación y lectura de ondas de terahercios en un solo material con patrón.
La polaritónica, como la electrónica y la fotónica, requiere tres elementos: generación, detección, guía y control robustos de formas de onda. Sin los tres, la polaritónica se reduciría a solo fonón-polaritones, al igual que la electrónica y la fotónica se reducirían a solo radiación electromagnética. Estos tres elementos se pueden combinar para permitir una funcionalidad del dispositivo similar a la de la electrónica y la fotónica.
Ilustración
Para ilustrar la funcionalidad de los dispositivos polaritónicos, considere el circuito hipotético de la figura 2 (derecha). Los pulsos de excitación óptica que generan fonón-polaritones, en la parte superior izquierda e inferior derecha del cristal, entran de forma normal a la cara del cristal (en la página). Los fonón-polaritones resultantes viajarán lateralmente lejos de las regiones de excitación. La entrada a las guías de ondas se ve facilitada por estructuras reflectantes y de enfoque. Los fonones-polaritones son guiados a través del circuito por guías de ondas de terahercios grabadas en el cristal. La funcionalidad del circuito reside en la estructura del interferómetro en la parte superior y la estructura de la guía de ondas acoplada en la parte inferior del circuito. Este último emplea una estructura de banda prohibida fotónica con un defecto (amarillo) que podría proporcionar biestabilidad a la guía de ondas acoplada.
Generación de formas de onda
Los fonón-polaritones generados en cristales ferroeléctricos se propagan casi lateralmente al pulso de excitación debido a las altas constantes dieléctricas de los cristales ferroeléctricos , lo que facilita la separación de fonón-polaritones de los pulsos de excitación que los generaron. Por tanto, los fonones-polaritones están disponibles para la observación directa, así como para la manipulación coherente, a medida que se mueven desde la región de excitación a otras partes del cristal. La propagación lateral es primordial para una plataforma polaritónica en la que la generación y la propagación tienen lugar en un solo cristal. Un tratamiento completo de la respuesta de onda de terahercios similar a la radiación de Cherenkov revela que, en general, también hay un componente de propagación hacia adelante que debe considerarse en muchos casos.
Detección de señal
La observación directa de la propagación de fonón-polaritón fue posible gracias a las imágenes en el espacio real, en las que los perfiles espaciales y temporales de los fonones-polaritones se obtienen en una cámara CCD utilizando la conversión de fase a amplitud de Talbot. Esto en sí mismo fue un avance extraordinario. Fue la primera vez que se obtuvieron imágenes de ondas electromagnéticas directamente, apareciendo como ondas en un estanque cuando una roca cae en picada a través de la superficie del agua (ver Fig. 3). La generación de imágenes en el espacio real es la técnica de detección preferida en polaritónica, aunque otras técnicas más convencionales como la función Kerr-gating óptico, la difracción resuelta en el tiempo , el sondeo interferométrico y la generación de segundo armónico inducido por campos de terahercios son útiles en algunas aplicaciones donde no se utilizan imágenes en el espacio real fácilmente empleado. Por ejemplo, los materiales estampados con tamaños de características del orden de unas pocas decenas de micrómetros provocan la dispersión parásita de la luz de la imagen. La detección de fonón-polaritón solo es posible enfocando una sonda más convencional, como las mencionadas anteriormente, en una región intachable del cristal.
Orientación y control
El último elemento requerido para la polaritónica es la guía y el control. La propagación lateral completa paralela al plano del cristal se logra generando fonón-polaritones en cristales de 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 ondas de placa disponibles. Sin embargo, la dispersión en estos modos puede ser radicalmente diferente de la de la propagación masiva y, para aprovechar esto, debe entenderse la dispersión.
El control y la guía de la propagación de fonón-polaritón también se pueden lograr mediante elementos de onda guiada, reflectantes, difractivos y dispersivos, así como cristales de índice fotónicos y efectivos que se pueden integrar directamente en el cristal anfitrión. Sin embargo, el niobato de litio , tantalato de litio y otras perovskitas son impermeables a las técnicas estándar de modelado de materiales. De hecho, el único grabador que se sabe que tiene un éxito marginal es el ácido fluorhídrico (HF), que graba lenta y predominantemente en la dirección del eje óptico del cristal.
Micromecanizado láser
El micromaquinado láser de femtosegundos se utiliza para la fabricación de dispositivos mediante el fresado de orificios y / o canales de "aire" en cristales ferroeléctricos dirigiéndolos a través de la región de enfoque de un rayo láser de femtosegundos. . Las ventajas del micromaquinado láser de femtosegundos para una amplia gama de materiales están bien documentadas. [1] En resumen, los electrones libres se crean 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 más alta que la de los láseres de pulso más largo o de onda continua, los electrones se excitan rápidamente y se calientan para formar un plasma cuántico . Particularmente en materiales dieléctricos, la inestabilidad electrostática, inducida por el plasma , de los iones reticulares restantes da como resultado la expulsión de estos iones y, por lo tanto, la ablación del material, [2] dejando un vacío de material en la región de enfoque 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 con láser de femtosegundos no sufre los efectos adversos de una zona afectada por el calor, como agrietamiento y fusión en regiones vecinas a la región de daño pretendida. [3]
Ver también
- Electrónica
- Fotónica
- Polariton
- Espintrónica
- Láser polariton
Referencias externas
- Feurer, T .; Stoyanov, Nikolay S .; Ward, David W .; Vaughan, Joshua C .; Statz, Eric R .; Nelson, Keith A. (2007). "Terahertz Polaritonics". Revisión anual de la investigación de materiales . Revisiones anuales . 37 (1): 317–350. Código Bibliográfico : 2007AnRMS..37..317F . doi : 10.1146 / annurev.matsci.37.052506.084327 . ISSN 1531-7331 . S2CID 33353438 .
- Ward, DW; Statz, ER; Nelson, KA (7 de octubre de 2006). "Fabricación de estructuras polaritónicas en LiNbO 3 y LiTaO 3 mediante mecanizado láser de femtosegundos". Un Física Aplicada . Springer Science and Business Media LLC. 86 (1): 49–54. doi : 10.1007 / s00339-006-3721-y . ISSN 0947-8396 . S2CID 96281166 .
- David W. Ward: Polaritónica: un régimen intermedio entre electrónica y fotónica , Ph.D. Tesis, Instituto de Tecnología 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 de iones de cristal". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 86 (2): 022908. Código Bibliográfico : 2005ApPhL..86b2908W . doi : 10.1063 / 1.1850185 . ISSN 0003-6951 .
- Ward, David W .; Cervezas, Jaime D .; Feurer, T .; Statz, Eric R .; Stoyanov, Nikolay S .; Nelson, Keith A. (15 de noviembre de 2004). "Control coherente de fonón-polaritones en un resonador de terahercios fabricado con mecanizado láser de femtosegundos". Letras de óptica . La sociedad óptica. 29 (22): 2671–3. Código Bibliográfico : 2004OptL ... 29.2671W . doi : 10.1364 / ol.29.002671 . ISSN 0146-9592 . PMID 15552680 .
- Feurer, T .; Vaughan, Joshua C .; Nelson, Keith A. (17 de enero de 2003). "Control coherente espacio-temporal de ondas vibratorias de celosía". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 299 (5605): 374–377. Código Bibliográfico : 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. (3 de febrero de 2003). "Elementos de terahercios difractivos integrados". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 82 (5): 674–676. Código Bibliográfico : 2003ApPhL..82..674S . doi : 10.1063 / 1.1540241 . ISSN 0003-6951 .
- Stoyanov, Nikolay S .; Ward, David W .; Feurer, Thomas; Nelson, Keith A. (2 de septiembre de 2002). "Propagación de polaritones de terahercios en materiales estampados". Materiales de la naturaleza . Springer Nature. 1 (2): 95–98. Código bibliográfico : 2002NatMa ... 1 ... 95S . doi : 10.1038 / nmat725 . ISSN 1476-1122 . PMID 12618821 . S2CID 9066991 .
enlaces externos
- El grupo de investigación en el MIT que inventó polaritonics.
Referencias
- ^ Bonse, J .; Krüger, J .; Höhm, S .; Rosenfeld, A. (16 de julio de 2012). "Estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundos" . Revista de aplicaciones láser . 24 (4): 042006. doi : 10.2351 / 1.4712658 . ISSN 1042-346X .
- ^ Bulgakova, NM; Stoian, R .; Rosenfeld, A .; Hertel, IV; Marine, W .; Campbell, EEB (1 de julio de 2005). "Un enfoque continuo general para describir el transporte electrónico rápido en materiales irradiados por láser pulsado: el problema de la explosión de Coulomb" . Un Física Aplicada . 81 (2): 345–356. doi : 10.1007 / s00339-005-3242-0 . ISSN 1432-0630 .
- ^ Jeschke, Harald O .; García, Martín E .; Lenzner, Matthias; Bonse, Jörn; Krüger, Jörg; Kautek, Wolfgang (30 de septiembre de 2002). "Umbrales de ablación láser de silicio para diferentes duraciones de pulso: teoría y experimento" . Ciencia de superficies aplicadas . COLA'01 SI. 197–198: 839–844. doi : 10.1016 / S0169-4332 (02) 00458-0 . ISSN 0169-4332 .