Penelitian baru menunjukkan bagaimana sinar laser dapat memperkuat sifat optik nonlinier heksagonal boron nitrida (hBN). Penelitian ini berhasil menghasilkan frekuensi optik baru dan secara signifikan meningkatkan generasi harmonik ketiga, menandai kemajuan signifikan dalam bidang penelitian optik nonlinier dan material kuantum.
Sebuah penelitian terbaru yang diterbitkan di Komunikasi Alam mengungkapkan bahwa para insinyur dari Universitas Columbia, bekerja sama dengan para ahli teoretis di Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Materi, telah menemukan bahwa menggabungkan sinar laser dengan getaran kisi kristal dapat meningkatkan sifat optik nonlinier dari material 2D berlapis.
Cecilia Chen, seorang mahasiswa PhD Teknik Columbia dan salah satu penulis makalah baru-baru ini, dan rekan-rekannya dari kelompok Quantum dan Nonlinear Photonics Alexander Gaeta menggunakan heksagonal boron nitrida (hBN). hBN adalah materi 2D yang mirip dengan graphene: atom-atomnya tersusun dalam pola berbentuk sarang lebah yang berulang dan dapat dikupas menjadi lapisan tipis dengan sifat kuantum yang unik. Chen mencatat bahwa hBN stabil pada suhu kamar, dan unsur penyusunnya—boron dan nitrogen—sangat ringan. Itu berarti mereka bergetar sangat cepat.
Memahami Getaran Atom
Getaran atom terjadi pada semua bahan di atas nol mutlak. Gerakan ini dapat dikuantisasi menjadi kuasipartikel yang disebut fonon dengan resonansi tertentu; dalam kasus hBN, tim tertarik pada mode fonon optik yang bergetar pada 41 THz, sesuai dengan panjang gelombang 7,3 μm, yang berada dalam rezim spektrum elektromagnetik inframerah-tengah.
Meskipun panjang gelombang IR pertengahan dianggap pendek, dan dengan demikian, berenergi tinggi, dalam gambaran getaran kristal, panjang gelombang tersebut dianggap sangat panjang dan berenergi rendah di sebagian besar penelitian optik dengan laser, di mana sebagian besar eksperimen dan studi dilakukan dalam cahaya tampak. ke kisaran IR dekat sekitar 400 nm hingga 2 um.
Eksperimen dan Hasil
Ketika mereka menyetel sistem laser mereka ke frekuensi hBN yang setara dengan 7,3 μm, Chen, bersama dengan sesama mahasiswa PhD Jared Ginsberg (sekarang menjadi ilmuwan data di Bank of America) dan postdoc Mehdi Jadidi (sekarang menjadi Ketua Tim di komputasi kuantum perusahaan PsiQuantum), mampu secara koheren dan simultan menggerakkan fonon kristal dan elektron hBN untuk secara efisien menghasilkan frekuensi optik baru dari medium—sebuah tujuan penting dari optik nonlinier. Pekerjaan teoretis yang dipimpin oleh kelompok Profesor Angel Rubio di Max Planck membantu tim eksperimen memahami hasil mereka.
Dengan menggunakan laser inframerah tengah di atas meja yang tersedia secara komersial, mereka mengeksplorasi proses optik nonlinier yang dimediasi fonon dalam mencampurkan empat gelombang untuk menghasilkan cahaya yang mendekati harmonik sinyal optik. Mereka juga mengamati peningkatan lebih dari 30 kali lipat pada generasi harmonik ketiga dibandingkan dengan apa yang dicapai tanpa menarik fonon.
“Kami sangat bersemangat untuk menunjukkan bahwa memperkuat gerakan fonon alami dengan penggerak laser dapat meningkatkan efek optik nonlinier dan menghasilkan frekuensi baru,” kata Chen. Tim berencana untuk mengeksplorasi bagaimana mereka dapat memodifikasi hBN dan material serupa menggunakan cahaya dalam pekerjaan di masa depan.
Referensi: “Nonlinier yang ditingkatkan fonon dalam boron nitrida heksagonal” oleh Jared S. Ginsberg, M. Mehdi Jadidi, Jin Zhang, Cecilia Y. Chen, Nicolas Tancogne-Dejean, Sang Hoon Chae, Gauri N. Patwardhan, Lede Xian, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, James Hone, Angel Rubio dan Alexander L. Gaeta, 24 November 2023, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-43501-x
Studi ini didanai oleh Departemen Energi AS, Dewan Riset Eropa, dan Deutsche Forschungsgemeinschaft.
NewsRoom.id
