Ingenjörer vid Columbia University och teoretiska medarbetare vid Max Planck för materiens struktur och dynamik har funnit att parning av laserljus till kristallgittervibrationer kan förbättra de olinjära optiska egenskaperna hos ett skiktat 2D-material. Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Cecilia Chen, Columbia Engineering Ph.D. student och medförfattare till den senaste artikeln, och hennes kollegor från Alexander Gaetas kvant- och icke-linjär fotonikgrupp, använde hexagonal bornitrid (hBN). hBN är ett 2D-material som liknar grafen:dess atomer är arrangerade i ett honungskammat repeterande mönster och kan skalas i tunna lager med unika kvantegenskaper. Chen noterade att hBN är stabil vid rumstemperatur, och dess beståndsdelar - bor och kväve - är mycket lätta. Det betyder att de vibrerar väldigt snabbt.
Atomvibrationer förekommer i alla material över absolut noll. Den rörelsen kan kvantiseras till kvasipartiklar som kallas fononer med speciella resonanser; i hBN:s fall var teamet intresserade av att det optiska fononläget vibrerade vid 41 THz, vilket motsvarar en våglängd på 7,3 μm, vilket är i mitten av det infraröda läget av det elektromagnetiska spektrumet.
Medan medelstora IR-våglängder anses vara korta, och därmed hög energi, i bilden av kristallvibrationer, anses de vara mycket långa och lågenergiiga i de flesta optikforskning med lasrar, där den överväldigande majoriteten av experiment och studier utförs i det synliga till nära IR-området på cirka 400 nm till 2 um.
När de ställde in sitt lasersystem till hBN:s frekvens motsvarande 7,3 μm, tog Chen, tillsammans med doktoranddoktorn. studenten Jared Ginsberg (nu datavetare vid Bank of America) och postdoc Mehdi Jadidi (nu en Team Lead på kvantberäkningsföretaget PsiQuantum), kunde konsekvent och samtidigt driva fononerna och elektronerna i hBN-kristallen för att effektivt generera nya optiska frekvenser från mediet – ett väsentligt mål för olinjär optik. Teoretiskt arbete ledd av professor Angel Rubios grupp vid Max Planck hjälpte experimentteamet att förstå deras resultat.
Med hjälp av kommersiellt tillgängliga, bordsbaserade mellaninfraröda lasrar, utforskade de den fononmedierade olinjära optiska processen med fyrvågsblandning för att generera ljus nära jämna övertoner i en optisk signal. De observerade också mer än en 30-faldig ökning av generationen av tredje övertoner jämfört med vad som uppnåddes utan att fononerna blev spännande.
"Vi är glada över att visa att förstärkning av den naturliga fononrörelsen med laserdrivning kan förbättra olinjära optiska effekter och generera nya frekvenser", säger Chen. Teamet planerar att utforska hur de kan kunna modifiera hBN och liknande material med hjälp av ljus i framtida arbete.
Mer information: Jared S. Ginsberg et al, Phonon-förstärkta olinjäriteter i hexagonal bornitrid, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43501-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Columbia University School of Engineering and Applied Science
