Published March 3, 2022
| Version v1
Publication
Open
Ultrafast Sub‐100 fs All‐Optical Modulation and Efficient Third‐Harmonic Generation in Weyl Semimetal Niobium Phosphide Thin Films
Creators
- 1. Nanosystems Initiative Munich
- 2. Ludwig-Maximilians-Universität München
- 3. Max Planck Institute of Microstructure Physics
- 4. University of Buenos Aires
- 5. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 6. Universidade Federal de Pernambuco
- 7. Southern University of Science and Technology
- 8. Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids
- 9. Imperial College London
Description
Since their experimental discovery in 2015, Weyl semimetals have generated a large amount of attention due their intriguing physical properties that arise from their linear electron dispersion relation and topological surface states. In particular, in the field of nonlinear (NL) optics and light harvesting, Weyl semimetals have shown outstanding performances and achieved record NL conversion coefficients. In this context, the first steps toward Weyl semimetal nanophotonics are performed here by thoroughly characterizing the linear and NL optical behavior of epitaxially grown niobium phosphide (NbP) thin films, covering the visible to the near-infrared regime of the electromagnetic spectrum. Despite the measured high linear absorption, third-harmonic generation studies demonstrate high conversion efficiencies up to 10-4 % that can be attributed to the topological electron states at the surface of the material. Furthermore, nondegenerate pump-probe measurements with sub-10 fs pulses reveal a maximum modulation depth of ≈1%, completely decaying within 100 fs and therefore suggesting the possibility of developing all-optical switching devices based on NbP. Altogether, this work reveals the promising NL optical properties of Weyl semimetal thin films, which outperform bulk crystals of the same material, laying the grounds for nanoscale applications, enabled by top-down nanostructuring, such as light-harvesting, on-chip frequency conversion, and all-optical processing.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
منذ اكتشافها التجريبي في عام 2015، ولدت أشباه المعادن Weyl قدرًا كبيرًا من الاهتمام بسبب خصائصها الفيزيائية المثيرة للاهتمام التي تنشأ من علاقة تشتت الإلكترونات الخطية وحالات السطح الطوبوغرافية. على وجه الخصوص، في مجال البصريات غير الخطية (NL) وحصاد الضوء، أظهرت أشباه معادن Weyl أداءً متميزًا وحققت معاملات تحويل NL قياسية. في هذا السياق، يتم تنفيذ الخطوات الأولى نحو Weyl semimetal nanophotonics هنا من خلال التوصيف الدقيق للسلوك البصري الخطي و NL للأغشية الرقيقة من فوسفيد النيوبيوم المزروع فوق المحور (NbP)، والتي تغطي المرئي إلى نظام الأشعة تحت الحمراء القريب للطيف الكهرومغناطيسي. على الرغم من الامتصاص الخطي العالي المقاس، تظهر دراسات التوليد التوافقي الثالث كفاءات تحويل عالية تصل إلى 10-4 ٪ يمكن أن تعزى إلى حالات الإلكترون الطوبوغرافية على سطح المادة. علاوة على ذلك، تكشف قياسات مجس المضخة غير المتولدة بنبضات أقل من 10 fs عن عمق تعديل أقصى يبلغ ≈1 ٪، ويتحلل تمامًا في حدود 100 fs، وبالتالي يشير إلى إمكانية تطوير أجهزة تحويل ضوئية بالكامل بناءً على NbP. إجمالاً، يكشف هذا العمل عن الخصائص البصرية الواعدة لـ NL للأغشية الرقيقة شبه المعدنية Weyl، والتي تتفوق على البلورات السائبة من نفس المادة، مما يضع الأسس لتطبيقات النانو، والتي يتم تمكينها من خلال الهيكلة النانوية من أعلى إلى أسفل، مثل الحصاد الخفيف، وتحويل التردد على الرقاقة، والمعالجة الضوئية بالكامل.Translated Description (French)
Depuis leur découverte expérimentale en 2015, les demi-métaux de Weyl ont suscité une grande attention en raison de leurs propriétés physiques intrigantes qui découlent de leur relation de dispersion linéaire des électrons et de leurs états de surface topologiques. En particulier, dans le domaine de l'optique non linéaire (NL) et de la collecte de lumière, les demi-métaux de Weyl ont montré des performances exceptionnelles et ont atteint des coefficients de conversion NL record. Dans ce contexte, les premières étapes vers la nanophotonique semimétallique de Weyl sont réalisées ici en caractérisant en profondeur le comportement optique linéaire et NL des films minces de phosphure de niobium (NbP) épitaxiés, couvrant le visible au régime proche infrarouge du spectre électromagnétique. Malgré la forte absorption linéaire mesurée, les études de génération de troisième harmonique démontrent des rendements de conversion élevés allant jusqu'à 10-4 % qui peuvent être attribués aux états électroniques topologiques à la surface du matériau. En outre, les mesures de pompe-sonde non dégénérées avec des impulsions inférieures à 10 fs révèlent une profondeur de modulation maximale d'environ1%, se désintégrant complètement en 100 fs et suggérant donc la possibilité de développer des dispositifs de commutation tout optique basés sur NbP. Au total, ce travail révèle les propriétés optiques NL prometteuses des films minces semi-métalliques de Weyl, qui surpassent les cristaux en vrac du même matériau, jetant les bases d'applications à l'échelle nanométrique, rendues possibles par une nanostructuration descendante, telle que la capture de la lumière, la conversion de fréquence sur puce et le traitement tout optique.Translated Description (Spanish)
Desde su descubrimiento experimental en 2015, los semimetales de Weyl han generado una gran cantidad de atención debido a sus intrigantes propiedades físicas que surgen de su relación de dispersión electrónica lineal y estados superficiales topológicos. En particular, en el campo de la óptica no lineal (NL) y la recolección de luz, los semimetales de Weyl han mostrado rendimientos sobresalientes y han logrado coeficientes de conversión de NL récord. En este contexto, los primeros pasos hacia la nanofotónica semimetálica de Weyl se realizan aquí caracterizando a fondo el comportamiento óptico lineal y NL de películas delgadas de fosfuro de niobio (NbP) cultivadas epitaxialmente, que cubren el régimen visible al infrarrojo cercano del espectro electromagnético. A pesar de la alta absorción lineal medida, los estudios de generación de tercer armónico demuestran altas eficiencias de conversión de hasta 10-4 % que se pueden atribuir a los estados electrónicos topológicos en la superficie del material. Además, las mediciones de bomba-sonda no degeneradas con pulsos inferiores a 10 fs revelan una profundidad de modulación máxima de ≈1%, decayendo completamente dentro de los 100 fs y, por lo tanto, sugiriendo la posibilidad de desarrollar dispositivos de conmutación totalmente ópticos basados en NbP. En conjunto, este trabajo revela las prometedoras propiedades ópticas NL de las películas delgadas semimetálicas de Weyl, que superan a los cristales a granel del mismo material, sentando las bases para aplicaciones a nanoescala, habilitadas por la nanoestructuración de arriba hacia abajo, como la recolección de luz, la conversión de frecuencia en chip y el procesamiento totalmente óptico.Files
adma.202106733.pdf
Files
(16.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:c7926c73b2c4c3a5844097611093caf6
|
16.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- فائق السرعة تحت 100 قدم مربع التشكيل البصري بالكامل والجيل التوافقي الثالث الفعال في الأغشية الرقيقة لفوسفيد النيوبيوم نصف المعدني من ويل
- Translated title (French)
- Modulation tout optique ultra-rapide sub‐100 fs et troisième génération harmonique efficace dans les films minces de phosphure de niobium semimétalliques de Weyl
- Translated title (Spanish)
- Modulación totalmente óptica ultrarrápida por debajo de 100 fs y generación eficiente de tercerosarmónicos en películas delgadas de fosfuro de niobio semimetálico Weyl
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4213352638
- DOI
- 10.1002/adma.202106733
References
- https://openalex.org/W1935448428
- https://openalex.org/W1937422245
- https://openalex.org/W2040427449
- https://openalex.org/W2092862335
- https://openalex.org/W2171017401
- https://openalex.org/W2196280310
- https://openalex.org/W2261951110
- https://openalex.org/W2264809457
- https://openalex.org/W2287722747
- https://openalex.org/W2305127629
- https://openalex.org/W2322406681
- https://openalex.org/W2334482558
- https://openalex.org/W2341694669
- https://openalex.org/W2344013912
- https://openalex.org/W2474553580
- https://openalex.org/W2481051419
- https://openalex.org/W2522659963
- https://openalex.org/W2523595512
- https://openalex.org/W2533726341
- https://openalex.org/W2548513862
- https://openalex.org/W2565574352
- https://openalex.org/W2596954985
- https://openalex.org/W2598866462
- https://openalex.org/W2611395271
- https://openalex.org/W2612485605
- https://openalex.org/W2618278690
- https://openalex.org/W2731250991
- https://openalex.org/W2748873574
- https://openalex.org/W2771353141
- https://openalex.org/W2791753486
- https://openalex.org/W2792796645
- https://openalex.org/W2797562913
- https://openalex.org/W2801916217
- https://openalex.org/W2884866478
- https://openalex.org/W2903296128
- https://openalex.org/W2918878338
- https://openalex.org/W2950461406
- https://openalex.org/W2951336567
- https://openalex.org/W2951600826
- https://openalex.org/W2957432330
- https://openalex.org/W2991129735
- https://openalex.org/W2995830987
- https://openalex.org/W3005823600
- https://openalex.org/W3006550142
- https://openalex.org/W3007108861
- https://openalex.org/W3037446197
- https://openalex.org/W3043276521
- https://openalex.org/W3080235488
- https://openalex.org/W3089750627
- https://openalex.org/W3105228718
- https://openalex.org/W3121886585
- https://openalex.org/W3157445981
- https://openalex.org/W4296862
- https://openalex.org/W889245261