Forskningsprojektets videnskabelige titel

Towards single-photon nonlinear optics in atomically-thin materials

Forskningsinstitution

Syddansk Universitet (University of Southern Denmark)

Det Tekniske Fakultet, Center for Nano Optics / Danish Institute for Advanced Study, Syddansk Universitet

Fagområde

Fysik

Kontaktinfo

Email: cox@mci.sdu.dk

Forskningsleder

Joel Cox

Adjunkt

Projekttitel

Towards single-photon nonlinear optics in atomically-thin materials

Hvad handler dit projekt om?

Mit projekt er rettet mod en langvarig udfordring inden for de optiske videnskaber: Effektiv kontrol af lys med selve lyset. Ideen er at udnytte atomart tynde todimensionelle (2D) materialers evne til at fokusere lys på ekstreme niveauer - ned til nanometer længdeskalaer - som kan udløse "ikke-lineære" vekselvirkninger mellem lys og stof, der effektivt tillader lys at manipulere lys. Jeg vil udvikle teoretiske metoder til at beskrive sådanne ikke-lineære optiske vekselvirkninger i konstruerede 2D-materialer og identificere de bedst mulige konfigurationer for at maksimere deres effektivitet; i sidste ende sigter jeg mod at identificere systemer, hvor individuelle lyskvanta (fotoner) kan have en stærk indbyrdes vekselvirkning. Mit projekt vil være tæt knyttet til eksperimenter for at fremme udviklingen af fundamentalt nye lysbaserede teknologier.

Hvordan opstod din interesse for dit forskningsfelt?

Elektromagnetisme og kvantemekanik var altid mine yndlingsemner inden for fysik; nano-optik repræsenterer et forskningsfelt, der trækker tungt på begge dele og søger at forstå vekselvirkninger mellem lys og stof i det "mesoskopiske" regime, hvor grænserne for klassisk fysik og kvantemekanik mødes. Jeg har for nylig undersøgt vekselvirkninger mellem lys og stof i det atom-tynde materiale — graphene — som har ekstraordinære elektroniske og optiske egenskaber. Siden opdagelsen af graphene i 2004 er mange flere 2D-materialer blevet tilgængelige, hvilket giver spændende nye muligheder for nano-optik, som jeg er ivrig efter at udforske. Jeg er en teoretisk fysiker, der nyder at arbejde med problemer, der er tæt knyttet til eksperimenter, og som i sidste ende kan inspirere til nye teknologier, der forbedrer vores hverdag.

Hvad er de forskningsmæssige udfordringer og perspektiver ved dit projekt?

Ikke-lineære optiske fænomener kræver typisk kraftige lasere og krystaller af en vis størrelse, hvor de kan akkumulere et målbart signal. Det er dermed vanskeligt at skalere disse processer ned til nano-verdenen, hvor materialer er struktureret på længdeskalaer, der er meget mindre end lysbølgelængden. Anvendelsen af moderne teoretiske metoder til at beskrive ikke-lineære optiske fænomener, som er mere komplicerede end konventionelle optiske processer, udgør også en teknisk udfordring, især når man overvejer flere 2D-materialer, der vekselvirker både indbyrdes og med eksternt lys. I et bredt perspektiv sigter projektet mod at fremme grundlæggende videnskab vedrørende nanoskala vekselvirkninger mellem lys og stof i atomart tynde materialer og afsløre nye funktioner, der kan stimulere eksperimentelle undersøgelser af de mest lovende 2D-materialeplatforme til ikke-lineær optik.

Hvilke perspektiver vurderer du selv, at din forskning på sigt kan have for det omgivende samfund?

Mens fotonik allerede spiller en nøglerolle i informations- og kommunikationsteknologier, begrænses energieffektiviteten af lysdrevne enheder af deres behov for at konvertere elektriske og optiske signaler. Effektiv styring af lys med lys på en nanoskala kan potentielt ophæve denne begrænsning ved at lade integrerede fotoniske enheder erstatte deres elektroniske modstykker – komponenter, der snart når deres grundlæggende grænser for hastighed og effektivitet. Mit projekt sigter mod at overvinde nuværende barrierer inden for ikke-lineær optik, for dermed at bane vejen for højhastigheds all-optical informationsbehandling. Arbejdet mod den ultimative grænse for ikke-linearitet med enkelte fotoner vil introducere nye grænser inden for fysik, nanoteknologi og kvanteinformation.

Hvad vil det betyde for din forskerkarriere, at du indgår i Sapere Aude-programmet?

Programmet er et stort skridt i retning af at konsolidere min status som en ung international forskningsleder inden for nano-optik. Bevillingen giver mig mulighed for at opbygge et stærkt forskningsteam dedikeret til det projekt, som jeg brænder for. Det tilvejebringer også ressourcer til at udføre beregningsintensive numeriske simuleringer, og det hjælper med, at jeg bredt kan formidle vores forskningsresultater nationalt og internationalt. Bevillingen vil også hjælpe mig med at positionere mig i forhold til fremtidige prestigefulde programmer, f.eks. ERC.

Lidt om mennesket bag forskeren

Da jeg voksede op i Canada, nød jeg at være aktiv udendørs og tæt på naturen. Efter at have boet i Spanien under mit postdoc-ophold blev jeg forelsket i livet i Europa, hvor så mange forskellige og fascinerende kulturer mødes. Jeg kan stadig godt lide at være aktiv, selvom jeg kun løber eller cykler rundt i byen, mens jeg benytter lejligheden til også at tage på vandre- eller skiture, når jeg kan. Jeg bor sammen med min partner Sara, og i vores fritid nyder vi at udforske Danmark sammen, tilbringe tid sammen med venner eller hyggelige hjemlige sysler, med tid til en god bog eller en film.

Bopælskommune

København

Gymnasium

Waterloo Collegiate Institute, Canada