工程师将激光与晶格振动配对以增强二维材料的光学特性

哥伦比亚大学的工程师和马克斯普朗克物质结构与动力学的理论合作者发现，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。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

Cecilia Chen，哥伦比亚大学工程博士 最近论文的学生兼合著者，以及她来自 Alexander Gaeta 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：其原子排列成蜂窝状重复图案，可以剥离成具有独特量子特性的薄层。陈指出，六方氮化硼在室温下很稳定，而且其组成元素硼和氮非常轻。这意味着它们振动得非常快。

原子振动发生在绝对零以上的所有材料中。这种运动可以被量子化为具有特定共振的称为声子的准粒子。在 hBN 的案例中，该团队对 41 THz 振动的光学声子模式感兴趣，对应于 7.3 μm 的波长，属于电磁波谱的中红外区域。

虽然中红外波长被认为很短，因此具有高能量，但在晶体振动的图中，它们被认为是非常长且低能量的激光光学研究，其中绝大多数实验和研究都是在可见光中进行的至约 400 nm 至 2 um 的近红外范围。

当他们将激光系统调谐到对应于 7.3 μm 的 hBN 频率时，Chen 和他的博士同事一起。学生 Jared Ginsberg(现为美国银行的数据科学家)和博士后 Mehdi Jadidi(现为量子计算公司 PsiQuantum 的团队负责人)能够连贯地同时驱动 hBN 晶体的声子和电子，从而有效地生成新的光频率来自介质——非线性光学的基本目标。马克斯·普朗克大学安吉尔·卢比奥教授团队领导的理论工作帮助实验团队理解了他们的结果。

他们使用市售的台式中红外激光器，探索了声子介导的四波混频非线性光学过程，以产生接近光信号偶次谐波的光。他们还观察到三次谐波的产生比不激发声子时增加了 30 倍以上。

“我们很高兴地表明，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，”陈说。该团队计划在未来的工作中探索如何利用光来修改六方氮化硼和类似材料。