重新定义光学极限:2D 材料中增强的非线性特性

重新定义光学极限:2D 材料中增强的非线性特性

新的研究表明,激光可以放大六方氮化硼(hBN)的非线性光学特性。该研究成功地产生了新的光频率,并显著提高了三次谐波的产生,标志着非线性光学和量子材料研究领域的重大进展。

最近发表在《自然通讯》上的一项研究表明,哥伦比亚大学的工程师与马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的理论专家合作,发现将激光与晶格振动配对可以增强层状二维材料的非线性光学特性。

哥伦比亚大学工程博士生、最近论文的合著者Cecilia Chen和她来自Alexander Gaeta的量子和非线性光子学小组的同事使用了六方氮化硼(hBN)。hBN是一种类似于石墨烯的二维材料:它的原子排列成蜂状的重复图案,可以剥离成具有独特量子特性的薄层。Chen指出,hBN在室温下是稳定的,其组成元素 – 硼和氮 – 非常轻。这意味着它们振动得非常快。

了解原子振动

原子振动发生在绝对零度以上的所有材料中。这种运动可以被量子化为具有特定共振的准粒子,称为声子;在hBN的案例中,研究小组对以41 THz振动的光学声子模式感兴趣,对应于7.3μm的波长,该波长处于电磁波谱的中红外范围内。

 

虽然中红外波长在晶体振动的图像中被认为是短的,因此是高能量的,但在大多数激光光学研究中,它们被认为是非常长和低能量的,其中绝大多数实验和研究都是在大约400 nm至2 um的可见光到近红外范围内进行的。

实验和结果

当他们将激光系统调整到对应于7.3μm的hBN频率时,Chen与博士生Jared Ginsberg(现在是美国银行的数据科学家)和博士后Mehdi Jadidi(现在是量子计算公司PsiQuantum的团队负责人)能够相干地同时驱动hBN晶体的声子和电子,以有效地从介质中产生新的光学频率 – 这是非线性光学的基本目标。由马克斯·普朗克(Max Planck)的Angel Rubio教授领导的小组领导的理论工作帮助实验团队理解了他们的结果。

使用市售的台式中红外激光器,他们探索了声子介导的四波混合非线性光学过程,以产生接近光信号偶次谐波的光。他们还观察到,与不激发声子相比,三次谐波的产生增加了30倍以上。

“我们很高兴地证明,通过激光驱动放大自然声子运动可以增强非线性光学效应并产生新的频率,”Chen说。该团队计划在未来的工作中探索如何利用光来修改hBN和类似的材料。

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