Ingenieros de la Universidad de Columbia y colaboradores teóricos del Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia han descubierto que el emparejamiento de la luz láser con las vibraciones de la red cristalina puede mejorar las propiedades ópticas no lineales de un material 2D en capas. La investigación se publica en la revista Nature Communications.
Cecilia Chen, estudiante de doctorado en Ingeniería de Columbia y coautora del artículo reciente, junto con sus colegas del grupo de Fotónica Cuántica y No Lineal de Alexander Gaeta, utilizaron nitruro de boro hexagonal (hBN). hBN es un material 2D similar al grafeno: sus átomos están dispuestos en un patrón repetitivo en forma de panal de abeja y se pueden separar en capas delgadas con propiedades cuánticas únicas. Chen señaló que el hBN es estable a temperatura ambiente y que sus elementos constituyentes, el boro y el nitrógeno, son muy ligeros. Esto significa que vibran muy rápidamente.
Las vibraciones atómicas ocurren en todos los materiales por encima del cero absoluto. Ese movimiento se puede cuantificar en cuasipartículas llamadas fonones con resonancias particulares; en el caso del hBN, al equipo le interesaba el modo de fonón óptico que vibra a 41 THz, lo que corresponde a una longitud de onda de 7.3 μm, que se encuentra en el régimen de infrarrojo medio del espectro electromagnético. Si bien las longitudes de onda del infrarrojo medio se consideran cortas y, por lo tanto, de alta energía, en la imagen de las vibraciones cristalinas, se consideran muy largas y de baja energía en la mayoría de la investigación óptica con láseres, donde la abrumadora mayoría de los experimentos y estudios se realizan en el rango visible al infrarrojo cercano, que abarca aproximadamente desde 400 nm hasta 2 μm.
Cuando ajustaron su sistema láser a la frecuencia del hBN que corresponde a 7.3 μm, Chen, junto con el estudiante de doctorado Jared Ginsberg (ahora un científico de datos en Bank of America) y el postdoctorado Mehdi Jadidi (ahora líder de equipo en la empresa de computación cuántica PsiQuantum), pudieron impulsar de manera coherente y simultánea los fonones y electrones del cristal de hBN para generar eficientemente nuevas frecuencias ópticas del medio, lo cual es un objetivo esencial de la óptica no lineal.
El trabajo teórico realizado por el grupo del profesor Angel Rubio en el Max Planck ayudó al equipo experimental a comprender sus resultados. Utilizando láseres de infrarrojo medio disponibles comercialmente, exploraron el proceso óptico no lineal mediado por fonones de mezcla de cuatro ondas para generar luz cerca de armónicos pares de una señal óptica. También observaron un aumento de más de 30 veces en la generación de la tercera armónica en comparación con lo que se logra sin excitar los fonones.
«Estamos emocionados de mostrar que amplificar el movimiento natural de los fonones con la luz láser puede mejorar los efectos ópticos no lineales y generar nuevas frecuencias», dijo Chen. El equipo planea explorar cómo podrían modificar el hBN y materiales similares utilizando la luz en trabajos futuros.
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