Hoe kan de kleur van laserlicht worden veranderd? Een populaire methode om dit te bereiken is het zogenaamde tweede harmonische generatie (SHG) effect, die de frequentie van licht verdubbelt en dus van kleur verandert. Echter, het observeren van dit niet-lineaire effect vereist een polair kristal waarin de inversiesymmetrie wordt verbroken. Om deze reden, het identificeren van kristallen die sterke SHG kunnen opwekken is een belangrijk onderzoeksonderwerp met toepassingen in de materiaalkunde.

Observatie van niet-lineaire optische fenomenen zoals SHG vereist een eindige tweede-orde elektrische gevoeligheid, die optreedt binnen elke polaire structuur zonder inversiesymmetrie en sterk laserlicht of -pulsen. In het perovskiet-type kobaltoxide BiCoO3 dat in dit werk wordt gebruikt, een apicale zuurstofverschuiving langs de c-as en een Co-O5-piramide zijn aanwezig in de eenheidscel, resulterend in symmetriebreking en een grote spontane polarisatie bij kamertemperatuur. Voor de laserpuls, de sterke elektromagnetische golf met een elektrisch veld tot ~1 MV/cm in het THz-energiegebied is ontwikkeld door Hideki Hirori en zijn team bij iCeMS en werd gebruikt om ultrasnelle beheersing van het niet-lineaire gedrag van BiCoO3 te bereiken.

Yoichi Okimoto van het Tokyo Institute of Technology en collega's waren specifiek geïnteresseerd in het begrijpen hoe de intensiteit van SHG van het BiCoO3-kristal verandert bij bestraling met een THz (d.w.z. ver-infrarood) laserpuls bij kamertemperatuur. Opmerkelijk, een ongekende verhoging van SHG met meer dan 50 % werd waargenomen, wat aangeeft dat het gebruik van THz-laserlicht op deze manier de verdienste van niet-lineaire kristallen aanzienlijk kan verbeteren. In aanvulling, dit effect treedt op op de 100 femtoseconde (10-13 s) tijdschaal, suggereert mogelijke toepassing op ultrasnelle opto-elektronische apparaten.

mechanisch, de ultrasnelle verbetering van het tweede harmonische signaal kan worden begrepen in termen van dd-overgangen van bezette naar onbezette toestanden die bestaan ​​rond de brede energieband van de aangelegde THz-puls. De foto-aangeslagen elektronen verlengen de apicale zuurstofatomen van de Co-O5-piramides in de kristalstructuur via elektron-fononkoppeling, waardoor de polaire structuur (en dus tweede-orde elektrische gevoeligheid) wordt vergroot.

Toekomstig onderzoek naar de foto-geëxciteerde toestand van BiCoO3 en andere polaire oxidematerialen zal rekening houden met niet-lineaire optische responsen van een hogere orde, evenals met ultrasnelle structurele metingen met behulp van de THz-puls om aanvullende mechanistische details van deze fascinerende materialen op te helderen.