Hur kan färgen på laserljus ändras? En populär metod för att uppnå detta är den så kallade andra harmoniska generationens (SHG) effekt, som fördubblar ljusets frekvens och därmed ändrar färg. Dock, observation av denna olinjära effekt kräver en polär kristall i vilken inversionssymmetri är bruten. Av denna anledning, att identifiera kristaller som kan framkalla stark SHG är ett viktigt forskningsämne med tillämpningar inom materialvetenskap.

Observation av olinjära optiska fenomen som SHG kräver en ändlig andra ordningens elektrisk känslighet, som inträffar inom vilken polär struktur som helst utan inversionssymmetri och starkt laserljus eller pulser. I koboltoxiden BiCoO3 av perovskittyp som används i detta arbete, ett apikalt syreskifte längs c-axeln och en Co-O5-pyramid finns i enhetscellen, vilket resulterar i symmetribrott och en stor spontan polarisation vid rumstemperatur. För laserpulsen, den starka elektromagnetiska vågen med ett elektriskt fält upp till ~1 MV/cm i THz-energiregionen utvecklades av Hideki Hirori och hans team på iCeMS och användes för att uppnå ultrasnabb kontroll av BiCoO3:s olinjära beteende.

Yoichi Okimoto vid Tokyo Institute of Technology och kollegor var särskilt intresserade av att förstå hur intensiteten av SHG från BiCoO3-kristallen förändras när de bestrålas med en THz (dvs. långt infraröd) laserpuls vid rumstemperatur. I synnerhet, en aldrig tidigare skådad förbättring av SHG med mer än 50 % observerades, vilket indikerar att användning av THz-laserljus på detta sätt avsevärt kan förbättra värden för icke-linjära kristaller. Dessutom, denna effekt uppträder på 100 femtosekunders (10-13 s) tidsskalan, föreslår möjlig tillämpning på ultrasnabba optoelektroniska enheter.

Mekanistiskt, den ultrasnabba förbättringen av den andra övertonssignalen kan förstås i termer av d-d-övergångar från upptagna till obesatta tillstånd som finns runt det breda energibandet för den applicerade THz-pulsen. De fotoexciterade elektronerna förlänger de apikala syreatomerna i Co-O5-pyramiderna i kristallstrukturen via elektron-fonon-koppling, därigenom förstärker dess polära struktur (och därmed andra ordningens elektriska känslighet).

Framtida undersökningar av det fotoexciterade tillståndet för BiCoO3 och andra polära oxidmaterial kommer att överväga icke-linjära optiska svar av högre ordning såväl som ultrasnabba strukturella mätningar med hjälp av THz-pulsen för att belysa ytterligare mekanistiska detaljer hos dessa fascinerande material.