Ingeniører parrer laserlys med krystalgittervibrationer for at forbedre de optiske egenskaber af 2D-materiale

Ingeniører ved Columbia University og teoretiske samarbejdspartnere ved Max Planck for materiens struktur og dynamik har fundet ud af, at parring af laserlys med krystalgittervibrationer kan forbedre de ikke-lineære optiske egenskaber af et lagdelt 2D-materiale. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Cecilia Chen, en Columbia Engineering Ph.D. studerende og medforfatter til det nylige papir, og hendes kolleger fra Alexander Gaeta's Quantum and N-linear Photonics-gruppe, brugte hexagonal bornitrid (hBN). hBN er et 2D-materiale, der ligner grafen:dets atomer er arrangeret i et honningkæmmet-formet gentagelsesmønster og kan skrælles i tynde lag med unikke kvanteegenskaber. Chen bemærkede, at hBN er stabilt ved stuetemperatur, og dets bestanddele - bor og nitrogen - er meget lette. Det betyder, at de vibrerer meget hurtigt.

Atomvibrationer forekommer i alle materialer over det absolutte nulpunkt. Den bevægelse kan kvantificeres til kvasipartikler kaldet fononer med særlige resonanser; i hBN's tilfælde var holdet interesseret i den optiske fonontilstand, der vibrerede ved 41 THz, svarende til en bølgelængde på 7,3 μm, hvilket er i det mellem-infrarøde regime af det elektromagnetiske spektrum.

Mens mid-IR bølgelængder betragtes som korte, og dermed høj energi, i billedet af krystalvibrationer, anses de for meget lange og lavenergi i de fleste optikforskning med lasere, hvor det overvældende flertal af eksperimenter og undersøgelser udføres i det synlige til nær-IR-område på ca. 400 nm til 2 um.

Da de indstillede deres lasersystem til hBN's frekvens svarende til 7,3 μm, blev Chen sammen med ph.d. studerende Jared Ginsberg (nu dataforsker ved Bank of America) og postdoc Mehdi Jadidi (nu teamleder hos kvantecomputervirksomheden PsiQuantum) var i stand til kohærent og samtidigt at drive hBN-krystallens fononer og elektroner til effektivt at generere nye optiske frekvenser fra mediet - et væsentligt mål for ikke-lineær optik. Teoretisk arbejde ledet af professor Angel Rubios gruppe hos Max Planck hjalp det eksperimentelle team med at forstå deres resultater.

Ved at bruge kommercielt tilgængelige, bord-top mid-infrarøde lasere, udforskede de den fonon-medierede ikke-lineære optiske proces med fire-bølge blanding for at generere lys tæt på lige harmoniske af et optisk signal. De observerede også mere end en 30-fold stigning i tredje-harmonisk generation i forhold til, hvad der opnås uden at ophidse fononerne.

"Vi er glade for at vise, at forstærkning af den naturlige fononbevægelse med laserdrift kan forbedre ikke-lineære optiske effekter og generere nye frekvenser," sagde Chen. Holdet planlægger at undersøge, hvordan de kan være i stand til at modificere hBN og lignende materialer ved hjælp af lys i fremtidigt arbejde.

Flere oplysninger: Jared S. Ginsberg et al., Phonon-forstærkede ikke-lineariteter i hexagonal bornitrid, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43501-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Columbia University School of Engineering and Applied Science