De nouvelles recherches démontrent comment la lumière laser peut amplifier les propriétés optiques non linéaires du nitrure de bore hexagonal (hBN). La recherche a réussi à générer de nouvelles fréquences optiques et à augmenter considérablement la génération de troisièmes harmoniques, marquant une avancée significative dans le domaine de l’optique non linéaire et de la recherche sur les matériaux quantiques.
Une étude récente publiée dans Communications naturelles révèle que des ingénieurs de l’Université de Columbia, en collaboration avec des experts théoriques de l’Institut 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.
Cecilia Chen, doctorante en génie à Columbia 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 à 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.
Comprendre les vibrations atomiques
Des vibrations atomiques se produisent dans tous les matériaux ci-dessus 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.
Expérimentation et résultats
Lorsqu’ils ont réglé leur système laser sur la fréquence du hBN correspondant à 7,3 μm, Chen, avec son collègue doctorant Jared Ginsberg (maintenant data scientist à Bank of America) et le postdoc Mehdi Jadidi (maintenant chef d’équipe chez l’informatique quantique société PsiQuantum), ont pu piloter de manière cohérente et simultanée les phonons et les électrons du cristal hBN pour générer efficacement de nouvelles fréquences optiques à partir 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 la manière dont elle pourrait modifier le hBN et des matériaux similaires en utilisant la lumière dans ses travaux futurs.
L’étude a été financée par le Département américain de l’énergie, le Conseil européen de la recherche et la Deutsche Forschungsgemeinschaft.
