Ingenieurs van Columbia University en theoretische medewerkers van het Max Planck voor de structuur en dynamiek van materie hebben ontdekt dat het koppelen van laserlicht aan kristalroostertrillingen de niet-lineaire optische eigenschappen van een gelaagd 2D-materiaal kan verbeteren. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Cecilia Chen, een Columbia Engineering Ph.D. student en co-auteur van het recente artikel, en haar collega's van Alexander Gaeta's Quantum and Nonlinear Photonics-groep, gebruikten hexagonaal boornitride (hBN). hBN is een 2D-materiaal dat lijkt op grafeen:de atomen zijn gerangschikt in een honingraatvormig herhalend patroon en kunnen in dunne lagen met unieke kwantumeigenschappen worden afgepeld. Chen merkte op dat hBN stabiel is bij kamertemperatuur en dat de samenstellende elementen ervan, boor en stikstof, erg licht zijn. Dat betekent dat ze heel snel trillen.

Atoomtrillingen komen voor in alle materialen boven het absolute nulpunt. Die beweging kan worden gekwantiseerd in quasideeltjes, fononen genaamd, met bepaalde resonanties; in het geval van hBN was het team geïnteresseerd in de optische fononmodus die trilt op 41 THz, wat overeenkomt met een golflengte van 7,3 μm, wat zich in het midden-infraroodregime van het elektromagnetische spectrum bevindt.

Hoewel mid-IR-golflengten in het beeld van kristaltrillingen als kort en dus als hoge energie worden beschouwd, worden ze in het meeste optische onderzoek met lasers als zeer lang en met lage energie beschouwd, waarbij de overgrote meerderheid van de experimenten en studies worden uitgevoerd in het zichtbare gebied. tot bijna-IR-bereik van ongeveer 400 nm tot 2 um.

Toen ze hun lasersysteem afstemden op de frequentie van hBN die overeenkomt met 7,3 μm, slaagde Chen, samen met collega Ph.D. student Jared Ginsberg (nu datawetenschapper bij Bank of America) en postdoc Mehdi Jadidi (nu teamleider bij quantumcomputerbedrijf PsiQuantum) waren in staat om op coherente en gelijktijdige wijze de fononen en elektronen van het hBN-kristal aan te sturen om efficiënt nieuwe optische frequenties te genereren vanuit het medium – een essentieel doel van niet-lineaire optica. Theoretisch werk onder leiding van de groep van professor Angel Rubio bij Max Planck hielp het experimentele team hun resultaten te begrijpen.

Met behulp van in de handel verkrijgbare midden-infraroodlasers op tafelblad onderzochten ze het door fononen gemedieerde, niet-lineaire optische proces van viergolfmenging om licht te genereren dat de gelijkmatige harmonischen van een optisch signaal benadert. Ze observeerden ook een meer dan 30-voudige toename in de derde harmonische generatie ten opzichte van wat werd bereikt zonder de fononen te exciteren.

"We zijn verheugd om te laten zien dat het versterken van de natuurlijke fononbeweging met laseraandrijving niet-lineaire optische effecten kan verbeteren en nieuwe frequenties kan genereren", aldus Chen. Het team is van plan om in toekomstig werk te onderzoeken hoe ze hBN en soortgelijke materialen kunnen modificeren met behulp van licht.

Meer informatie: Jared S. Ginsberg et al, Phonon-verbeterde niet-lineariteiten in hexagonaal boornitride, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43501-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Columbia University School of Engineering and Applied Science