重新定义光学极限：工程师发现2D材料中增强的非线性光学特性

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提高分层二维材料的非线性光学特性。 ?uqPye1fc
哥伦比亚大学工程学博士生、最新论文的合著者Cecilia Chen和她的Alexander Gaeta量子与非线性光子学小组的同事们使用了六方氮化硼 (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性质的薄层。Chen指出，hBN 在室温下是稳定的，其组成元素——硼和氮——非常轻。这意味着它们振动非常快。 &+8cI^kp

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了解原子振动
在绝对零度以上的所有材料中都会发生原子振动。这种运动可以量子化为称为声子的准粒子，具有特定的共振；在hBN的情况下，该团队对在41 THz下振动的光学声子模式感兴趣，其波长为7.3μm，处于电磁光谱的中红外区。
虽然中红外波长被认为较短，因此能量较高，但在晶体振动的图片中，它们在大多数激光光学研究中被认为很长且能量很低，其中绝大多数实验和研究是在可见光到近红外范围内进行的，约400nm到2um。
实验和结果
当他们将激光系统调谐到与7.3μm对应的hBN频率时，Chen以及他的博士生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）能够同时驱动hBN晶体的声子和电子，从而有效地从介质中产生新的光学频率，这是非线性光学的一个基本目标。由马克斯·普朗克研究所的Angel Rubio教授领导的理论工作帮助实验团队理解了他们的结果。
他们使用商用台式中红外激光器，探索了四波混频的声子介导非线性光学过程，以产生接近光学信号偶次谐波的光。他们还观察到，与不激发声子的情况相比，三次谐波产生的数量增加了30倍以上。
Chen博士说：“我们很高兴能够证明，通过激光驱动来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”。该团队计划在未来的工作中探索如何利用光来修饰hBN和类似材料。
该研究由美国能源部、欧洲研究委员会和德国研究协会资助。
相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43501-x

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