Ingenieure kombinieren Laserlicht mit Kristallgittervibrationen, um die optischen Eigenschaften von 2D-Material zu verbessern

Ingenieure der Columbia University und theoretische Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie haben herausgefunden, dass die Paarung von Laserlicht mit Kristallgitterschwingungen die nichtlinearen optischen Eigenschaften eines geschichteten 2D-Materials verbessern kann. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Cecilia Chen, promovierte Ingenieurin an der Columbia University. Die Studentin und Co-Autorin der aktuellen Arbeit und ihre Kollegen aus Alexander Gaetas Gruppe „Quanten- und nichtlineare Photonik“ verwendeten hexagonales Bornitrid (hBN). hBN ist ein 2D-Material ähnlich wie Graphen: Seine Atome sind in einem sich wiederholenden Muster in Form einer Honigwabe angeordnet und können in dünne Schichten mit einzigartigen Quanteneigenschaften abgeschält werden. Chen stellte fest, dass hBN bei Raumtemperatur stabil ist und seine Bestandteile – Bor und Stickstoff – sehr leicht sind. Das heißt, sie vibrieren sehr schnell.

Atomschwingungen treten in allen Materialien oberhalb des absoluten Nullpunkts auf. Diese Bewegung kann in Quasiteilchen namens Phononen mit bestimmten Resonanzen quantisiert werden; Im Fall von hBN interessierte sich das Team für den optischen Phononenmodus, der mit 41 THz schwingt, was einer Wellenlänge von 7,3 μm entspricht, was im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt.

Während mittlere IR-Wellenlängen im Bild der Kristallschwingungen als kurz und damit energiereich gelten, gelten sie in den meisten Optikforschungen mit Lasern, wo die überwiegende Mehrheit der Experimente und Studien im sichtbaren Bereich durchgeführt werden, als sehr lang und niederenergetisch bis zum nahen IR-Bereich von etwa 400 nm bis 2 um.

Als sie ihr Lasersystem auf die hBN-Frequenz entsprechend 7,3 μm abstimmten, konnten Chen und sein Doktorandenkollege … Der Student Jared Ginsberg (jetzt Datenwissenschaftler bei der Bank of America) und der Postdoktorand Mehdi Jadidi (jetzt Teamleiter beim Quantencomputerunternehmen PsiQuantum) konnten die Phononen und Elektronen des hBN-Kristalls kohärent und gleichzeitig antreiben, um effizient neue optische Frequenzen zu erzeugen vom Medium – ein wesentliches Ziel der nichtlinearen Optik. Theoretische Arbeiten unter der Leitung der Gruppe von Professor Angel Rubio am Max-Planck-Institut halfen dem Experimentalteam, ihre Ergebnisse zu verstehen.

Mit handelsüblichen Tischlasern im mittleren Infrarotbereich erforschten sie den Phononen-vermittelten nichtlinearen optischen Prozess der Vierwellenmischung, um Licht zu erzeugen, das den geraden Harmonischen eines optischen Signals nahe kommt. Sie beobachteten auch eine mehr als 30-fache Steigerung der Erzeugung der dritten Harmonischen im Vergleich zu dem, was ohne Anregung der Phononen erreicht wird.

„Wir freuen uns, zeigen zu können, dass die Verstärkung der natürlichen Phononenbewegung durch Laserantrieb nichtlineare optische Effekte verstärken und neue Frequenzen erzeugen kann“, sagte Chen. Das Team plant zu untersuchen, wie es in zukünftigen Arbeiten möglicherweise hBN und ähnliche Materialien mithilfe von Licht modifizieren kann.