Comment changer la couleur de la lumière laser ? Une méthode populaire pour y parvenir est ce que l'on appelle l'effet de génération de deuxième harmonique (SHG), qui double la fréquence de la lumière et change donc de couleur. Cependant, l'observation de cet effet non linéaire nécessite un cristal polaire dans lequel la symétrie d'inversion est brisée. Pour cette raison, l'identification de cristaux pouvant provoquer une forte SHG est un sujet de recherche important avec des applications en science des matériaux.

L'observation de phénomènes optiques non linéaires comme SHG nécessite une susceptibilité électrique finie du second ordre, qui se produit dans n'importe quelle structure polaire sans symétrie d'inversion et sans forte lumière laser ou impulsions. Dans l'oxyde de cobalt de type pérovskite BiCoO3 utilisé dans ce travail, un déplacement apical de l'oxygène le long de l'axe c et une pyramide Co-O5 sont présents dans la maille élémentaire, entraînant une rupture de symétrie et une grande polarisation spontanée à température ambiante. Pour l'impulsion laser, la forte onde électromagnétique avec un champ électrique jusqu'à ~1 MV/cm dans la région d'énergie THz a été développée par Hideki Hirori et son équipe à iCeMS et a été utilisée pour obtenir un contrôle ultrarapide du comportement non linéaire de BiCoO3.

Yoichi Okimoto de l'Institut de technologie de Tokyo et ses collègues étaient particulièrement intéressés à comprendre comment l'intensité du SHG du cristal BiCoO3 change lorsqu'il est irradié avec un THz (c'est-à-dire, infrarouge lointain) impulsion laser à température ambiante. Notamment, une amélioration sans précédent de la SHG de plus de 50 % a été observée, indiquant que l'utilisation de la lumière laser THz de cette manière peut améliorer considérablement le facteur de mérite des cristaux non linéaires. En outre, cet effet se produit sur l'échelle de temps 100 femtosecondes (10-13 s), suggérant une application possible aux dispositifs optoélectroniques ultrarapides.

Mécaniquement, l'amélioration ultrarapide du signal de deuxième harmonique peut être comprise en termes de transitions d-d des états occupés aux états inoccupés qui existent autour de la large bande d'énergie de l'impulsion THz appliquée. Les électrons photoexcités allongent les atomes d'oxygène apicaux des pyramides de Co-O5 dans la structure cristalline via un couplage électron-phonon, augmentant ainsi sa structure polaire (et donc sa susceptibilité électrique de second ordre).

Les futures études sur l'état photoexcité du BiCoO3 et d'autres matériaux d'oxyde polaire considéreront des réponses optiques non linéaires d'ordre supérieur ainsi que des mesures structurelles ultrarapides utilisant l'impulsion THz pour élucider des détails mécaniques supplémentaires de ces matériaux fascinants.