Des ingénieurs de l'Université de Columbia et des collaborateurs théoriques du Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière ont découvert que l'association de la lumière laser aux vibrations du réseau cristallin peut améliorer les propriétés optiques non linéaires d'un matériau 2D en couches. La recherche est publiée dans la revue Nature Communications .

Cecilia Chen, titulaire d'un doctorat en génie de Columbia. étudiante et co-auteur de l'article récent, et ses collègues du groupe de photonique quantique et non linéaire d'Alexander Gaeta, ont utilisé du nitrure de bore hexagonal (hBN). Le hBN est un matériau 2D similaire au graphène :ses atomes sont disposés selon un motif répétitif en forme de nid d'abeille et peuvent être pelés en fines couches dotées de propriétés quantiques uniques. Chen a noté que le hBN est stable à température ambiante et que ses éléments constitutifs – le bore et l’azote – sont très légers. Cela signifie qu'ils vibrent très rapidement.

Des vibrations atomiques se produisent dans tous les matériaux au-dessus du zéro absolu. Ce mouvement peut être quantifié en quasiparticules appelées phonons avec des résonances particulières; dans le cas du hBN, l'équipe s'est intéressée au mode phonon optique vibrant à 41 THz, correspondant à une longueur d'onde de 7,3 μm, qui se situe dans le régime infrarouge moyen du spectre électromagnétique.

Alors que les longueurs d'onde de l'IR moyen sont considérées comme courtes, et donc de haute énergie, dans l'image des vibrations cristallines, elles sont considérées comme très longues et de faible énergie dans la plupart des recherches en optique avec des lasers, où l'écrasante majorité des expériences et des études sont réalisées dans le visible. à une plage proche infrarouge d'environ 400 nm à 2 um.

Lorsqu'ils ont réglé leur système laser sur la fréquence du hBN correspondant à 7,3 μm, Chen et son collègue doctorant. l'étudiant Jared Ginsberg (maintenant data scientist à Bank of America) et le postdoc Mehdi Jadidi (maintenant chef d'équipe chez la société d'informatique quantique PsiQuantum), ont pu piloter de manière cohérente et simultanée les phonons et les électrons du cristal hBN pour générer efficacement de nouvelles fréquences optiques. du milieu, un objectif essentiel de l’optique non linéaire. Les travaux théoriques menés par le groupe du professeur Angel Rubio chez Max Planck ont ​​aidé l'équipe expérimentale à comprendre leurs résultats.

À l’aide de lasers infrarouges moyens de table disponibles dans le commerce, ils ont exploré le processus optique non linéaire médié par les phonons de mélange à quatre ondes pour générer une lumière proche des harmoniques paires d’un signal optique. Ils ont également observé une multiplication par 30 de la génération de troisième harmonique par rapport à ce qui est obtenu sans exciter les phonons.

"Nous sommes ravis de montrer que l'amplification du mouvement naturel des phonons avec la commande laser peut améliorer les effets optiques non linéaires et générer de nouvelles fréquences", a déclaré Chen. L'équipe prévoit d'explorer comment modifier le hBN et des matériaux similaires en utilisant la lumière dans de futurs travaux.

Plus d'informations : Jared S. Ginsberg et al, Non-linéarités améliorées par les phonons dans le nitrure de bore hexagonal, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43501-x

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université Columbia