最近發(fā)表在《自然·通訊》上的一項(xiàng)研究表明，哥倫比亞大學(xué)的工程師與馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所的理論專家合作，發(fā)現(xiàn)將激光與晶格振動(dòng)配對(duì)可以提高分層二維材料的非線性光學(xué)特性。

哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)博士生、最新論文的合著者Cecilia Chen和她的Alexander Gaeta量子與非線性光子學(xué)小組的同事們使用了六方氮化硼 (hBN)。hBN 是一種類似于石墨烯的二維材料：其原子排列成蜂窩狀重復(fù)圖案，可以剝離成具有獨(dú)特量子性質(zhì)的薄層。Chen指出，hBN 在室溫下是穩(wěn)定的，其組成元素——硼和氮——非常輕。這意味著它們振動(dòng)非�？�。

圖片:Graphene-2D-Material-Superconductivity-Concept.jpg

了解原子振動(dòng)

在絕對(duì)零度以上的所有材料中都會(huì)發(fā)生原子振動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以量子化為稱為聲子的準(zhǔn)粒子，具有特定的共振；在hBN的情況下，該團(tuán)隊(duì)對(duì)在41 THz下振動(dòng)的光學(xué)聲子模式感興趣，其波長(zhǎng)為7.3μm，處于電磁光譜的中紅外區(qū)。

雖然中紅外波長(zhǎng)被認(rèn)為較短，因此能量較高，但在晶體振動(dòng)的圖片中，它們?cè)诖蠖鄶?shù)激光光學(xué)研究中被認(rèn)為很長(zhǎng)且能量很低，其中絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)和研究是在可見(jiàn)光到近紅外范圍內(nèi)進(jìn)行的，約400nm到2um。

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

當(dāng)他們將激光系統(tǒng)調(diào)諧到與7.3μm對(duì)應(yīng)的hBN頻率時(shí)，Chen以及他的博士生Jared Ginsberg（現(xiàn)為美國(guó)銀行的數(shù)據(jù)科學(xué)家）和博士后Mehdi Jadidi（現(xiàn)為量子計(jì)算公司PsiQuantum的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人）能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)hBN晶體的聲子和電子，從而有效地從介質(zhì)中產(chǎn)生新的光學(xué)頻率，這是非線性光學(xué)的一個(gè)基本目標(biāo)。由馬克斯·普朗克研究所的Angel Rubio教授領(lǐng)導(dǎo)的理論工作幫助實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)理解了他們的結(jié)果。

他們使用商用臺(tái)式中紅外激光器，探索了四波混頻的聲子介導(dǎo)非線性光學(xué)過(guò)程，以產(chǎn)生接近光學(xué)信號(hào)偶次諧波的光。他們還觀察到，與不激發(fā)聲子的情況相比，三次諧波產(chǎn)生的數(shù)量增加了30倍以上。

Chen博士說(shuō)：“我們很高興能夠證明，通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)來(lái)放大自然聲子運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)并產(chǎn)生新的頻率”。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來(lái)的工作中探索如何利用光來(lái)修飾hBN和類似材料。

該研究由美國(guó)能源部、歐洲研究委員會(huì)和德國(guó)研究協(xié)會(huì)資助。

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