Quand la lumière-laser rencontre les vibrations cristallines

L’interaction lumière-laser cristalline améliore les propriétés optiques non linéaires des matériaux 2D

Dans une collaboration internationale, des ingénieurs de l’Université de Columbia et des théoriciens de l’Institut Max Planck ont découvert une méthode pour améliorer les propriétés optiques non linéaires d’un matériau 2D en couplant la lumière laser aux vibrations de la structure cristalline. Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l’optique non linéaire.

Les chercheurs, dont Cecilia Chen, doctorante à l’Université de Columbia et co-auteure de l’étude, ont utilisé du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau 2D similaire au graphène. Les atomes de hBN sont disposés en un motif répétitif en forme de nid d’abeille et peuvent être «pelés» en couches minces avec des propriétés quantiques spéciales.

Le hBN est stable à température ambiante, et ses éléments constitutifs – le bore et l’azote – sont légers, ce qui signifie qu’ils vibrent rapidement. Ces vibrations atomiques, présentes dans tous les matériaux au-dessus du zéro absolu, peuvent être quantifiées en quasi-particules appelées phonons avec des résonances particulières.

Des expériences concluantes

En réglant leur système laser sur la fréquence du hBN correspondant à 7,3 μm, l’équipe a pu entraîner de manière cohérente et simultanée les phonons et les électrons du cristal de hBN pour générer efficacement de nouvelles fréquences optiques à partir du milieu.

En utilisant des lasers infrarouges moyens disponibles dans le commerce, ils ont exploré le processus optique non linéaire médié par les phonons de mélange à quatre ondes pour générer de la lumière proche des harmoniques même d’un signal optique. Ils ont également signalé une augmentation de plus de 30 fois de la génération de la troisième harmonique par rapport à ce qui est obtenu sans exciter les phonons.

« Nous sommes ravis de montrer que l’amplification du mouvement naturel des phonons à l’aide d’un laser peut renforcer les effets optiques non linéaires et générer de nouvelles fréquences« , a conclu Cecilia Chen.

L’équipe prévoit d’étudier comment elle pourrait modifier le hBN et les matériaux similaires à l’aide de la lumière dans le cadre de travaux futurs.

En synthèse

La découverte de cette équipe internationale de chercheurs ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’optique non linéaire. En couplant la lumière laser aux vibrations de la structure cristalline, ils ont réussi à améliorer les propriétés optiques non linéaires d’un matériau 2D. Cette avancée pourrait avoir des implications significatives dans divers domaines de la recherche et de la technologie.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le nitrure de bore hexagonal (hBN) ?

Le hBN est un matériau 2D similaire au graphène, avec des atomes disposés en un motif répétitif en forme de nid d’abeille.

Qu’est-ce qu’un phonon ?

Un phonon est une quasi-particule qui représente une quantité quantique d’énergie vibratoire.

Qu’est-ce que l’optique non linéaire ?

L’optique non linéaire est une branche de l’optique qui étudie les phénomènes optiques non linéaires, où la réponse optique d’un matériau n’est pas proportionnelle à l’intensité du champ lumineux incident.

Qu’est-ce que le mélange à quatre ondes ?

Le mélange à quatre ondes est un processus optique non linéaire qui implique l’interaction de deux ou trois ondes pour produire une quatrième onde.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l’optique non linéaire et avoir des implications significatives dans divers domaines de la recherche et de la technologie.

Références

Chen, C., Ginsberg, J., Jadidi, M., et al. (2023). Enhancement of nonlinear optical properties in 2D materials through laser-light lattice coupling. Nature Communications.