两个实验的设置，证明了hBN中透射几何中声子增强的非线性。a THG实验的实验装置。使用 PbS 和 MCT 检测器、锁相放大器和 Boxcar 平均法进行检测。b 泵浦探针FWM实验的实验装置。延时由步长低于 1 μm 的机械延时级控制。泵和探头都通过具有 0.5 数值孔径的反射物镜聚焦到样品上。使用硅光电倍增管和锁相放大器进行检测。
哥伦比亚大学的工程师和马克斯·普朗克物质结构和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。该研究发布在《自然通讯》杂志上。
哥伦比亚大学工程博士生、最近论文的合著者塞西莉亚·陈和她来自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是一种类似于石墨烯的二维材料：其原子以蜂窝状重复图案排列，可以剥离成具有独特量子特性的薄层。Chen指出，hBN在室温下是稳定的，其组成元素硼和氮非常轻。这意味着它们的振动非常快。
原子振动发生在绝对零度以上的所有材料中。这种运动可以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，该团队对在41 THz振动的光学声子模式感兴趣，对应于7.3μm的波长，该波长处于电磁波谱的中红外状态。
虽然在晶体振动的图像中，中红外波长被认为是短的，因此是高能量的，但在大多数激光光学研究中，它们被认为是非常长和低能量的，其中绝大多数实验和研究都是在可见光到近红外范围内进行的，大约400 nm到2 um。
当他们将激光系统调谐到对应于7.3μm的hBN频率时，Chen与博士生Jared Ginsberg和博士后Mehdi Jadidi能够相干地同时驱动hBN晶体的声子和电子，以有效地从介质中产生新的光频率 - 这是非线性光学的基本目标。由马克斯·普朗克的Angel Rubio教授领导的理论工作帮助实验小组理解了他们的结果。
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合非线性光学过程，以产生接近光信号均匀谐波的光。他们还观察到，与不激励声子相比，三次谐波的产生增加了30倍以上。
“我们很高兴地证明，用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，”Chen说。该团队计划在未来的工作中探索如何利用光来修改hBN和类似的材料。
