La ricerca nel campo dell’ottica non lineare e dei materiali quantistici ha compiuto un passo da gigante grazie a un nuovo studio che dimostra come la luce laser possa amplificare le proprietà ottiche non lineari del nitruro di boro esagonale (hBN). Questa scoperta ha permesso di generare nuove frequenze ottiche e di aumentare significativamente la generazione di armoniche terze, segnando un importante progresso in questo settore.
La collaborazione tra ingegneri e teorici
Un recente articolo pubblicato su Nature Communications rivela che un gruppo di ingegneri della Columbia University, in collaborazione con esperti teorici dell’Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia, ha scoperto che accoppiando la luce laser alle vibrazioni del reticolo cristallino è possibile potenziare le proprietà ottiche non lineari di un materiale 2D stratificato.
Cecilia Chen, dottoranda in ingegneria alla Columbia University e coautrice dello studio, insieme ai suoi colleghi del gruppo Quantum and Nonlinear Photonics guidato da Alexander Gaeta, ha utilizzato l’hBN. L’hBN è un materiale 2D simile al grafene: i suoi atomi sono disposti in un modello ripetitivo a forma di nido d’ape e possono essere separati in sottili strati con proprietà quantistiche uniche. Chen ha osservato che l’hBN è stabile a temperatura ambiente e i suoi elementi costitutivi, il boro e l’azoto, sono molto leggeri, il che significa che vibrano molto velocemente.
Comprendere le vibrazioni atomiche
Le vibrazioni atomiche si verificano in tutti i materiali al di sopra dello zero assoluto. Questo movimento può essere quantizzato in quasiparticelle chiamate fononi con particolari risonanze; nel caso dell’hBN, il team era interessato alla modalità fononica ottica che vibra a 41 THz, corrispondente a una lunghezza d’onda di 7,3 μm, che si trova nella gamma dell’infrarosso medio dello spettro elettromagnetico.
Sebbene le lunghezze d’onda dell’infrarosso medio siano considerate corte e quindi ad alta energia, nell’ambito delle vibrazioni cristalline sono considerate molto lunghe e a bassa energia nella maggior parte delle ricerche ottiche con laser, dove la stragrande maggioranza degli esperimenti e degli studi viene eseguita nella gamma visibile e vicino all’infrarosso di circa 400 nm a 2 um.
Esperimenti e risultati innovativi
Quando hanno sintonizzato il loro sistema laser sulla frequenza corrispondente a 7,3 μm dell’hBN, Chen, insieme al dottorando Jared Ginsberg (ora data scientist presso Bank of America) e al postdoc Mehdi Jadidi (ora Team Lead presso la società di computing quantistico PsiQuantum), sono stati in grado di guidare coerentemente e simultaneamente i fononi e gli elettroni del cristallo di hBN per generare efficientemente nuove frequenze ottiche dal mezzo, un obiettivo fondamentale dell’ottica non lineare. Il lavoro teorico guidato dal gruppo del professor Angel Rubio al Max Planck ha aiutato il team sperimentale a comprendere i loro risultati.
Utilizzando laser a infrarosso medio disponibili in commercio, hanno esplorato il processo ottico non lineare mediato dai fononi del mixing a quattro onde per generare luce vicina alle armoniche pari di un segnale ottico. Hanno anche osservato un aumento superiore a 30 volte nella generazione di armoniche terze rispetto a quanto ottenuto senza eccitare i fononi.
“Siamo entusiasti di dimostrare che amplificare il movimento naturale dei fononi con la guida laser può potenziare gli effetti ottici non lineari e generare nuove frequenze”, ha affermato Chen. Il team prevede di esplorare come potrebbero essere in grado di modificare l’hBN e materiali simili utilizzando la luce nei lavori futuri.
