Ingenieros de la Universidad de Columbia y colaboradores teóricos del Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia han descubierto que combinar la luz láser con las vibraciones de la red cristalina puede mejorar las propiedades ópticas no lineales de un material 2D en capas. La investigación se publica en la revista Nature Communications. .
Cecilia Chen, Ph.D. en ingeniería de Columbia. estudiante y coautora del artículo reciente, y sus colegas del grupo de Fotónica Cuántica y No Lineal de Alexander Gaeta, utilizaron nitruro de boro hexagonal (hBN). hBN es un material 2D similar al grafeno:sus átomos están dispuestos en un patrón repetitivo en forma de panal y se pueden pelar en capas delgadas con propiedades cuánticas únicas. Chen señaló que el hBN es estable a temperatura ambiente y sus elementos constituyentes (boro y nitrógeno) son muy ligeros. Eso significa que vibran muy rápidamente.
Las vibraciones atómicas ocurren en todos los materiales por encima del cero absoluto. Ese movimiento puede cuantificarse en cuasipartículas llamadas fonones con resonancias particulares; En el caso de hBN, el equipo estaba interesado en el modo de fonón óptico que vibra a 41 THz, correspondiente a una longitud de onda de 7,3 μm, que se encuentra en el régimen de infrarrojo medio del espectro electromagnético.
Si bien las longitudes de onda del IR medio se consideran cortas y, por lo tanto, de alta energía, en la imagen de las vibraciones de los cristales, se consideran muy largas y de baja energía en la mayoría de las investigaciones ópticas con láseres, donde la inmensa mayoría de los experimentos y estudios se realizan en el visible. a un rango de infrarrojo cercano de aproximadamente 400 nm a 2 um.
Cuando sintonizaron su sistema láser a la frecuencia de hBN correspondiente a 7,3 μm, Chen, junto con su colega Ph.D. El estudiante Jared Ginsberg (ahora científico de datos en Bank of America) y el postdoctorado Mehdi Jadidi (ahora líder de equipo en la empresa de computación cuántica PsiQuantum), pudieron impulsar de manera coherente y simultánea los fonones y electrones del cristal hBN para generar eficientemente nuevas frecuencias ópticas. del medio, un objetivo esencial de la óptica no lineal. El trabajo teórico dirigido por el grupo del profesor Ángel Rubio en Max Planck ayudó al equipo experimental a comprender sus resultados.
Utilizando láseres de infrarrojo medio de mesa disponibles comercialmente, exploraron el proceso óptico no lineal mediado por fonones de mezcla de cuatro ondas para generar luz cercana a los armónicos pares de una señal óptica. También observaron un aumento de más de 30 veces en la generación del tercer armónico con respecto a lo que se logra sin excitar los fonones.
"Estamos entusiasmados de demostrar que amplificar el movimiento natural de los fonones con conducción láser puede mejorar los efectos ópticos no lineales y generar nuevas frecuencias", dijo Chen. El equipo planea explorar cómo podrían modificar hBN y materiales similares utilizando luz en trabajos futuros.
Más información: Jared S. Ginsberg et al, No linealidades mejoradas con fonones en nitruro de boro hexagonal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43501-x
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
