Aproveitando as propriedades únicas dos materiais 2D para dispositivos ópticos de alta velocidade

Resumo

Graças às suas singulares propriedades eletrônicas e estruturais, os cristais 2D (2DX) apresentam uma resposta ótica não-linear extraordinariamente grande e ultrarrápida. De entre os já estudados, a variedade de estruturas eletrônicas é grande desde o Grafeno com uma relação de dispersão linear e sem hiato no espectro de energia, a materiais onde o hiato pode ser variado como o fosforeno ou os dicalcogenetos de metais de transição (TMDC), ou ainda o isolador Nitrato de Boro (BN). Este conjunto de materiais oferece um amplo leque de escolhas para o design de dispositivos óticos e, em particular, podem vir a ser essenciais no desenvolvimento de dispositivos all-optical, com ganhos em velocidade, largura de banda e consumo de energia quando comparados com sistemas híbridos eletro-óticos.Este projeto centra-se no estudo de vários 2DXs com singulares propriedades óticas. A reduzida permissividade efetiva 2D e as elevadas massas dos portadores, peculiar a sistemas 2D, permite excitões robustos com grandes energias de ligação, resultando em respostas não-lineares invulgarmente grandes. Outra vantagem dos 2DXs ultrafinos no desenho de dispositivos é não necessidade de observar condições de acordo de fase.Outra via de investigação é a fabricação de heteroestruturas verticais (HV) otimizadas para aplicações concretas, combinando 2DXs cuidadosamente escolhidos com propriedades não disponíveis nos 2DXs isolados. Por exemplo, combinando os TMDCs MoS2 e WS2 resulta numa HV do tipo II com hiatos intercalados dando origem a excitões interfaciais localizados; uma camada isolante de h-BN entre os dois TMDCs controla o acoplamento eletrônico e as taxas de transferência dos portadores.Para melhor compreender a contribuição das ressonâncias excitónicas e dos mecanismos de relaxamento anisotrópico para a suscetibilidade não linear, bem como a física dos processos de transferência de estados excitados e de carga, usaremos uma variedade de técnicas de óticas não lineares, como mistura de quatro ondas transiente, espectroscopias de polarização e pump-probe ultrarrápida O trabalho experimental será também complementado e guiado por modelização teórica das estruturas eletrónicas e da dinâmica de portadores nos vários 2DXs em estudo. A compreensão da física envolvida na dinâmica ultrarrápida e na elevada resposta ótica não linear desses materiais é um ingrediente essencial para melhorar o desenho de dispositivos tais como comutadores e modeladores all-optical, ou absorvedores saturados.Um exemplo concreto de um destes dispositivos, baseado em mistura degenerada de 4 ondas em fosforeno, está já em desenvolvimento por um dos grupos participantes. Outros protótipos a ser desenvolvidos baseados em HVs, incluem absorvedores não-lineares rápidos que, tirando partida da dinâmica dos excitões, permitirão controlar o tempo de subida e o limite de saturação. Interruptores ultrarrápidos de polarização fabricados com 2DXs com forte acoplamento spin-órbita é outra opção. (AU)