Fig 1:3 de 4 modos de óptica transversal. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Los materiales que constan de unas pocas capas atómicas presentan propiedades determinadas por la física cuántica. En una pila de tales capas, Las vibraciones de los átomos pueden ser provocadas por luz infrarroja. Un nuevo trabajo experimental y teórico muestra que las vibraciones atómicas dentro de las capas de nitruro de boro hexagonal, los llamados fonones ópticos transversales, acoplarse directamente a los movimientos de las capas entre sí. Durante un período de unos 20 ps, el acoplamiento da como resultado un desplazamiento descendente de frecuencia de los fonones ópticos y su resonancia óptica. Este comportamiento es una propiedad genuina del material cuántico y de interés para aplicaciones en optoelectrónica de alta frecuencia.
El nitruro de boro hexagonal consta de capas en las que los átomos de boro y nitrógeno unidos covalentemente forman una matriz regular de seis anillos (Fig. 1). Las capas vecinas se acoplan mediante la interacción de van der Waals, mucho más débil. Vibraciones de átomos de boro y nitrógeno en la capa, los llamados fonones ópticos transversales (TO), muestran una frecuencia de oscilación del orden de 40 Terahercios (THz, 4 × 10 13 vibraciones por segundo) que es de diez a cien veces mayor que el de los movimientos de cizallamiento y respiración de las capas entre sí. Hasta aquí, Casi no había información sobre la vida útil de tales movimientos después de la excitación óptica y su acoplamiento.
Una colaboración internacional de científicos de Berlín, Montpellier, Nantes, París e Ithaca (EE. UU.) Presentan ahora resultados experimentales y teóricos detallados sobre la dinámica ultrarrápida de fonones acoplados en nitruro de boro hexagonal de pocas capas ( Revisión física B 104, L140302 (2021)). Los fonones ópticos transversales (TO) en una pila de ocho a nueve capas de nitruro de boro muestran una vida útil de 1,2 ps (1 ps =10 -12 s), mientras que los modos de cizallamiento y respiración muestran un tiempo de caída de 22 ps (Fig. 2b). Dichas vidas se midieron directamente en experimentos de sonda de bomba de femtosegundos y están muy de acuerdo con los valores derivados de un análisis teórico de los canales de desintegración de fonones.
Las excitaciones de los modos de cizallamiento y respiración inducen un desplazamiento descendente espectral característico de la resonancia del fonón TO en los espectros ópticos (Fig. 2a). Los cálculos teóricos dan la energía de acoplamiento entre los diferentes modos de la pila de capas y muestran que el acoplamiento correspondiente es insignificantemente pequeño en un cristal de nitruro de boro a granel que consta de muchas capas. Por lo tanto, la dinámica vibratoria acoplada observada representa una propiedad genuina del material cuántico.
Fig. 2. (a) Espectro de reflectividad estacionaria (línea negra gruesa) de una pila de 8 a 9 capas hexagonales de nitruro de boro en el rango de resonancia del fonón TO. La reflectividad se representa en función de la frecuencia. Los símbolos muestran el cambio de reflectividad DR =(R-R0) / R0 observado después de la excitación de femtosegundos de la muestra en los tiempos de retardo dados en el recuadro (R, R0:reflectividad con y sin excitación). En tiempos de retardo superiores a 3 ps, el aumento de la reflectividad a baja frecuencia y su disminución a alta frecuencia corresponden a un desplazamiento hacia abajo de la resonancia del fonón TO, inducida por la excitación de los modos de cizallamiento y respiración. (b) Cambio de reflectividad a 40,7 THz (flecha roja en el panel (a)) y a 41 THz (flecha azul en el panel (a)) en función del tiempo de retardo entre los pulsos de la bomba y la sonda (en picosegundos). Los transitorios exhiben un rápido decaimiento con una constante de tiempo de 1.2 ps, la vida útil del teléfono TO, y un lento decaimiento con 22 ps, la vida útil de los modos de cizallamiento y respiración. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
El desplazamiento espectral de la resonancia del fonón TO en los espectros ópticos es un efecto óptico no lineal que puede ser inducido por una luz de potencia moderada. Esto es de interés para aplicaciones en optoelectrónica y tiene potencial para moduladores ópticos e interruptores en el rango de frecuencia de gigahercios.
