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Dec 30, 2023

Controllo non lineare della lunghezza d'onda commutabile

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 10715 (2022) Citare questo articolo

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Basandomi sulla teoria della matrice di trasferimento, realizzo un assorbimento selettivo in lunghezza d'onda quasi perfetto delle onde del vicino IR in un cristallo fotonico difettoso unidimensionale, \((AB)^ND(BA)^M\), contenente un biossido di vanadio ( VO\(_2\)) strato di transizione di fase come difetto. Innanzitutto viene studiato l'effetto dei numeri dei periodi, N e M, sullo spettro di assorbimento per ottenere un picco di assorbimento perfetto. È dimostrato che i numeri di periodo ottimali della struttura per massimizzare il picco di assorbimento sono N = 7 e M = 16. I nostri risultati indicano anche che si ottiene un assorbimento a banda stretta, quasi perfetto, grazie alla simmetria della struttura rispetto al VO \(_2\). Inoltre, la quantità di assorbimento della struttura considerata è circa 50 volte maggiore di quella di un VO\(_2\) indipendente. Inoltre, il valore di picco di assorbimento e la lunghezza d'onda di risonanza possono essere sintonizzati continuamente mentre VO\(_2\) transita dal semiconduttore alla fase metallica alla temperatura di 340 K. Inoltre, viene discusso il modo in cui diversi parametri come la polarizzazione e l'angolo incidente influenzano gli spettri di assorbimento. Infine, gli spettri di assorbimento non lineare della struttura sono mostrati graficamente accanto al caso lineare. L'attuale sistema può essere applicato nella progettazione di pratici dispositivi ottici sintonizzabili come sensori IR, limitatori e interruttori.

Poiché la ricerca di sistemi ottici attivi suscita un crescente interesse, le sostanze con caratteristiche di controllo dinamico peculiari e sfruttabili sono diventate fondamentali per consentire nuovi sviluppi in applicazioni pratiche tra cui sensori microfluidici, dispositivi di commutazione ottica, emettitori termici, filtri e modulatori1,2,3, 4,5,6,7,8,9. Di particolare crescente interesse è lo studio del comportamento di assorbimento nelle comunità scientifiche e ingegneristiche a causa del loro potenziale senza precedenti per la realizzazione di dispositivi integrati personalizzabili10,11,12. Quindi, la ricerca di materiali ottici appropriati con parametri controllabili esternamente è una delle principali sfide della tecnologia moderna poiché numerose applicazioni sono ostacolate dalla mancanza di regolabilità. Pertanto, la sintonizzabilità dell'interazione radiazione elettromagnetica-materia è altamente desiderabile per molte applicazioni che si basano sulla corretta variazione delle loro caratteristiche attraverso particolari fattori esterni. Il controllo dinamico può essere ottenuto mediante la corretta integrazione dei progetti prevalenti con mezzi attivi come cristalli liquidi, grafene e materiali a transizione di fase (PTM)13,14,15,16,17,18. Per quanto ne sappiamo, i PTM possono vincere questa competizione grazie alle capacità ampiamente sintonizzabili nell'archiviazione di dati, sensori, applicazioni termocromiche, interruttori ottici, polarizzatori e assorbitori poiché commutano reversibilmente tra due stati diversi in risposta a stimoli esterni applicando un eccitazione elettrica, ottica o termica19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29. Tra i PTM funzionali, il biossido di vanadio (VO\(_2\)) come materiale di transizione semiconduttore-metallo (SMT) di primo ordine ha attirato notevole attenzione grazie alle sue notevoli proprietà elettriche e ottiche. VO\(_2\), scoperto per la prima volta da Morin30, sperimenta l'SMT alla temperatura critica di T = 340 K, al di sotto della quale è un semiconduttore o altrimenti un metallo isotropo, sotto una varietà di stimoli come temperatura, stress e magnetismo o campo elettrico31,32,33. VO\(_2\) è una scelta promettente per applicazioni in dispositivi termosensibili poiché la sua transizione reversibile dallo stato semiconduttore allo stato metallico porta a un cambiamento significativo della sua conduttività e della costante ottica con l'aumento del processo termico34. L'SMT di VO\(_2\) è accompagnato da un notevole aumento dell'assorbimento dell'infrarosso (IR)35. In particolare, la trasmissione e la riflessione IR sono drammaticamente influenzate dal cambiamento di temperatura mentre la trasmissione della luce visibile è quasi invariante durante il processo di transizione36. Quindi, sulla base di queste proprietà, VO\(_2\) è stato ampiamente utilizzato nello sviluppo di dispositivi fotonici attivi e sintonizzabili come assorbitori selettivi ed emettitori termici4,37,38,39.