No linealidad en nitruro de boro hexagonal amplificado por fonones

Al combinar la luz láser y las vibraciones de la red cristalina, los ingenieros de… Universidad de Colombia Ellos y sus colegas teóricos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia han descubierto una forma de mejorar las propiedades ópticas no lineales de un material 2D en capas. El estudio fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza Publicación.

Configuración de dos experimentos que demuestran la no linealidad mejorada por fonones en hBN, en Ingeniería de Transporte. Configuración experimental para experimentos de THG. La detección se realiza utilizando detectores de PbS y MCT, un amplificador de bloqueo y un promedio de transferencia. b Configuración experimental para experimentos FWM con sonda de bomba. El retardo de tiempo se controla mediante una etapa de retardo mecánica con un tamaño de paso de menos de 1 μm. Tanto la bomba como la sonda se enfocan en la muestra con un objetivo reflectante con una apertura numérica de 0,5. La detección se realiza mediante un tubo fotomultiplicador de silicio y un amplificador lock-in. Crédito de la imagen: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43501-x

Coautora del nuevo estudio, Cecilia Chen, Ph.D. La estudiante de ingeniería de la Universidad de Columbia y sus colegas del Grupo de Fotónica Cuántica y No Lineal de Alexandre Gaeta utilizaron nitruro de boro hexagonal (hBN). Similar al grafeno, el hBN es un material 2D con una disposición atómica repetitiva en forma de panal que se puede exfoliar en capas delgadas con distintas propiedades cuánticas.

Chen señaló que el hBN es muy ligero y estable a temperatura ambiente debido al boro y el nitrógeno que componen sus componentes. Esto indica que está vibrando rápidamente.

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Por encima del cero absoluto, toda la materia experimenta vibraciones atómicas. Este movimiento se puede cuantificar en cuasipartículas conocidas como fonones con resonancias específicas; En el caso del hBN, los investigadores estaban interesados ​​en colocar el fonón óptico que vibra a 41 Hz, equivalente a una longitud de onda de 7,3 micrómetros, en la región del infrarrojo medio del espectro electromagnético.

Si bien las longitudes de onda del infrarrojo medio se consideran cortas y, por lo tanto, de alta energía en el contexto de las vibraciones de los cristales, se consideran muy largas y de muy baja energía en la gran mayoría de las investigaciones en óptica basada en láser, donde el rango de visible al infrarrojo cercano es aproximadamente 400 nanómetros a 2 micrómetros, es el foco de la mayoría de los experimentos y estudios.

Junto con un compañero Ph.D. El estudiante Jared Ginsberg (ahora científico de datos en Bank of America) y el investigador postdoctoral Mehdi Jadidi (ahora líder de equipo en la empresa de computación cuántica PsiQuantum), Chen y su equipo pudieron generar eficientemente nuevas frecuencias ópticas a partir del medio sintonizando su sistema láser. a una frecuencia de 7,3 µm para hBN.

Este es el objetivo principal de la óptica no lineal. El grupo Max Planck del profesor Ángel Rubio llevó a cabo un trabajo teórico que ayudó al equipo experimental a comprender sus hallazgos.

Estudiaron el proceso óptico no lineal mediado por fonones de mezclar las cuatro longitudes de onda para producir luz aproximadamente igual a los armónicos de la señal óptica utilizando un láser de infrarrojo medio disponible comercialmente. Además, vieron aumentar la producción del tercer armónico en más de 30 veces la cantidad que sería posible sin la excitación de fonones.

Estamos entusiasmados de demostrar que amplificar el movimiento natural de los fonones mediante láseres puede mejorar los efectos ópticos no lineales y generar nuevas frecuencias.

Cecilia Chen, coautora del estudio y Ph.D. Estudiante, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia, Universidad de Columbia

En estudios posteriores, el equipo pretende investigar cómo se puede utilizar la luz para alterar el hBN y materiales similares.

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Referencia de la revista:

Ginsburg, JS, et al. el. (2023) No linealidad mejorada con fonones en nitruro de boro hexagonal. Comunicaciones de la naturaleza. doi:10.1038/s41467-023-43501-x

fuente: https://www.columbia.edu/

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