Los procesos ópticos no lineales de segundo orden desempeñan un papel fundamental en las aplicaciones clásicas y cuánticas, que van desde la extensión de las frecuencias accesibles hasta la generación de pares de fotones entrelazados cuánticos y estados comprimidos. Esta no linealidad está descartada, Desafortunadamente, por simetría de inversión en materiales que se encuentran en el corazón de la fotónica integrada, por ejemplo, sílice, silicio y nitruro de silicio.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Xiao Yun-Feng y el profesor Gong Qihuang en la Universidad de Pekín, en colaboración con el profesor Liu Yu-Xi Tsinghua University (China), El profesor Qiu Cheng-Wei de la Universidad Nacional de Singapur (Singapur) y el profesor Yang Lan de la Universidad de Washington en St. Louis (EE. UU.), ha demostrado la segunda generación de armónicos (SHG) inducida por la ruptura de la simetría en la superficie de una microcavidad en modo galería susurrante de sílice (WGM). Este trabajo ha sido publicado en línea en Fotónica de la naturaleza .

SHG, un efecto óptico no lineal fundamental de segundo orden, es el proceso en el que dos fotones con la misma frecuencia interactúan con el material no lineal y se combinan para generar un fotón al doble de frecuencia. En materiales con simetría de inversión, La SHG está prohibida debido al potencial simétrico experimentado por los electrones. Sin embargo, en la superficie / interfaz de estos materiales, los electrones ven un potencial diferente en los dos lados de la superficie / interfaz, dando lugar naturalmente a la ruptura de la simetría superficial. Por lo tanto, la ruptura de la simetría de inversión permite efectos no lineales de segundo orden en la superficie, abriendo una puerta significativa para caracterizar las superficies / interfaces que son de gran importancia en la física, química, biología y electrónica.

"Desafortunadamente, la no linealidad de la simetría intrínseca que se rompe en la superficie suele ser extremadamente débil en estudios anteriores, y solo miles de fotones de segundo armónico (SH) son generados por un pulso de 50 fs con una intensidad promedio de 500 GW / cm2, "dijo Cao Qi-Tao, estudiante de posgrado en la Universidad de Pekín.

En este trabajo, Los físicos utilizaron la microcavidad WGM de ultra alta Q para realizar una mejora de resonancia dual de la no linealidad inducida por ruptura de simetría en la superficie. El WGM se asemeja a las resonancias acústicas en la galería de susurros en la Catedral de St. Paul en Londres, donde la onda acústica de un altavoz en un lado de la galería circula por el edificio, llegando al oyente del otro lado. Gracias a la baja pérdida de propagación y al bajo volumen, las microcavidades WGM de ultra alta calidad, como el análogo óptico, Atrapar fotones que pueden circular dentro de la cavidad hasta cientos de miles de veces, de modo que la potencia intracavitaria se incrementa en consecuencia hasta cinco órdenes de magnitud con respecto a la entrada.

"El Q ultra alto es indispensable para aumentar la potencia SH, mientras que el correspondiente ancho de línea ultra estrecho también presenta un desafío para nosotros para asegurarnos de que tanto la luz de entrada como su segunda señal armónica estén en resonancia con los modos de cavidad, "dijo Zhang Xueyue, ex asistente de investigación en el grupo del profesor Xiao y licenciado en la Universidad de Tsinghua, ahora estudiante de posgrado en Caltech. "Aquí, empleamos el efecto térmico y el efecto óptico Kerr para lograr este objetivo de forma dinámica ".

Estos efectos inducen un cambio de frecuencia del modo de cavidad y ayudan a realizar dinámicamente una combinación estable de las resonancias de la bomba y SH casi simultáneamente. también conocida como condición de coincidencia de fase. Como resultado, el segundo armónico se logra con una potencia de bomba de menos de un milivatio, que es la más baja entre las potencias reportadas en materiales centrosimétricos. La eficiencia de conversión correspondiente es sin precedentes tan alta como 0.049 por ciento W ^-1 , catorce órdenes de magnitud más alta que la del caso sin mejora en la óptica no lineal de superficie convencional.

Además de una eficiencia ultra alta, la identificación inequívoca del efecto no lineal de la superficie es también una característica fundamental que hace posible el análisis de la superficie mejorada por cavidades. En sílice, los efectos multipolares masivos podrían perturbar el estudio determinista de las propiedades de la superficie, que ha sido durante mucho tiempo un gran desafío en la ciencia de la superficie. Para identificar aún más los orígenes de las señales no lineales, los investigadores analizaron la polarización de la bomba y la propiedad de distribución espacial de la segunda señal armónica generada. Como consecuencia, lograron experimentalmente el segundo armónico solo a partir de la no linealidad inducida por ruptura de simetría de la superficie y eliminaron los efectos multipolares en masa, en lugar de la mezcla de las dos contribuciones.

"Este experimento logra el récord más alto de eficiencia de SHG en fotónica de sílice, "dijo el profesor Xiao." Más importante aún, el trabajo puede brindar la oportunidad de combinar la detección específica de la superficie y la mejora de la resonancia de los microrresonadores. El mecanismo y esquema que aprendimos y desarrollamos en este trabajo, incluido el método de coincidencia de fase dinámica, actuará como piedra de tierra para diversas aplicaciones, especialmente en el análisis de superficies ultrasensibles ".