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Uma nova pesquisa demonstra como a luz laser pode amplificar as propriedades ópticas não lineares do nitreto de boro hexagonal (hBN). A pesquisa gerou com sucesso novas frequências ópticas e aumentou significativamente a geração de terceiros harmônicos, marcando um avanço significativo no campo da óptica não linear e na pesquisa de materiais quânticos.
Um estudo recente publicado em Comunicações da Natureza revela que engenheiros da Universidade de Columbia, em colaboração com especialistas teóricos do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, descobriram que o emparelhamento da luz laser com as vibrações da rede cristalina pode melhorar as propriedades ópticas não lineares de um material 2D em camadas.
Cecilia Chen, estudante de doutorado em engenharia da Columbia e coautora do artigo recente, e seus colegas do grupo Quantum and Nonlinear Photonics de Alexander Gaeta usaram nitreto de boro hexagonal (hBN). hBN é um material 2D semelhante ao grafeno: seus átomos estão dispostos em um padrão repetido em forma de favo de mel e podem ser descascados em camadas finas com propriedades quânticas únicas. Chen observou que o hBN é estável à temperatura ambiente e seus elementos constituintes – boro e nitrogênio – são muito leves. Isso significa que eles vibram muito rapidamente.
Compreendendo as vibrações atômicas
Vibrações atômicas ocorrem em todos os materiais acima zero absoluto. Esse movimento pode ser quantizado em quasipartículas chamadas fônons com ressonâncias específicas; no caso do hBN, a equipe estava interessada no modo fônon óptico vibrando a 41 THz, correspondendo a um comprimento de onda de 7,3 μm, que está no regime infravermelho médio do espectro eletromagnético.
Embora os comprimentos de onda do infravermelho médio sejam considerados curtos e, portanto, de alta energia, na imagem das vibrações do cristal, eles são considerados muito longos e de baixa energia na maioria das pesquisas ópticas com lasers, onde a esmagadora maioria dos experimentos e estudos são realizados no visível. para a faixa do infravermelho próximo de aproximadamente 400 nm a 2 um.
Experimentação e Resultados
Quando sintonizaram seu sistema de laser para a frequência do hBN correspondente a 7,3 μm, Chen, junto com seu colega estudante de doutorado Jared Ginsberg (agora cientista de dados no Bank of America) e o pós-doutorado Mehdi Jadidi (agora líder de equipe no Bank of America) Computação quântica empresa PsiQuantum), foram capazes de conduzir de forma coerente e simultânea os fônons e elétrons do cristal hBN para gerar eficientemente novas frequências ópticas a partir do meio – um objetivo essencial da óptica não linear. O trabalho teórico liderado pelo grupo do professor Angel Rubio em Max Planck ajudou a equipe experimental a compreender seus resultados.
Usando lasers infravermelhos médios de mesa disponíveis comercialmente, eles exploraram o processo óptico não linear mediado por fônons de mistura de quatro ondas para gerar luz próxima aos harmônicos pares de um sinal óptico. Eles também observaram um aumento superior a 30 vezes na geração do terceiro harmônico em relação ao que é alcançado sem excitar os fônons.
“Estamos entusiasmados em mostrar que a amplificação do movimento natural do fônon com acionamento do laser pode aprimorar os efeitos ópticos não lineares e gerar novas frequências”, disse Chen. A equipe planeja explorar como eles podem modificar o hBN e materiais semelhantes usando luz em trabalhos futuros.
Referência: “Não-linearidades aprimoradas por phonon em nitreto de boro hexagonal” por Jared S. Ginsberg, M. Mehdi Jadidi, Jin Zhang, Cecilia Y. Chen, Nicolas Tancogne-Dejean, Sang Hoon Chae, Gauri N. Patwardhan, Lede Xian, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, James Hone, Angel Rubio e Alexander L. Gaeta, 24 de novembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43501-x
O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela Deutsche Forschungsgemeinschaft.
