p Os processos ópticos não lineares de segunda ordem desempenham um papel fundamental nas aplicações clássicas e quânticas, variando da extensão das frequências acessíveis à geração de pares de fótons emaranhados quânticos e estados comprimidos. Esta não linearidade é descartada, Infelizmente, por simetria de inversão em materiais que estão no cerne da fotônica integrada, por exemplo, sílica, silício e nitreto de silício. p Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Xiao Yun-Feng e pelo professor Gong Qihuang da Universidade de Pequim, em colaboração com o professor Liu Yu-Xi Tsinghua University (China), Professor Qiu Cheng-Wei da Universidade Nacional de Cingapura (Cingapura) e Professor Yang Lan da Universidade de Washington em St. Louis (EUA), demonstrou geração de segundo harmônico (SHG) induzida por quebra de simetria na superfície de uma microcavidade de modo de galeria silenciosa de sílica (WGM). Este trabalho foi publicado online em Nature Photonics .

p SHG, um efeito óptico não linear de segunda ordem fundamental, é o processo no qual dois fótons com a mesma frequência interagem com o material não linear e são combinados para gerar um fóton com o dobro da frequência. Em materiais com simetria de inversão, SHG é proibido devido ao potencial simétrico experimentado pelos elétrons. Contudo, na superfície / interface desses materiais, os elétrons veem um potencial diferente nos dois lados da superfície / interface, originando naturalmente a quebra de simetria superficial. Assim, a quebra de simetria de inversão permite efeitos não lineares de segunda ordem na superfície, abrindo uma porta significativa para caracterizar as superfícies / interfaces que são de grande importância na física, química, biologia e eletrônica.

p "Infelizmente, a não linearidade da quebra de simetria intrínseca na superfície é geralmente extremamente fraca em estudos anteriores, e apenas milhares de fótons de segundo harmônico (SH) são gerados por um pulso de 50 fs com uma intensidade média de 500 GW / cm2, "disse Cao Qi-Tao, um estudante de pós-graduação na Universidade de Pequim.

p Nesse trabalho, os físicos usaram a microcavidade WGM ultra-alta Q para realizar o aumento de ressonância dupla da não linearidade induzida por quebra de simetria na superfície. O WGM se assemelha às ressonâncias acústicas na galeria de sussurros da Catedral de São Paulo em Londres, onde a onda acústica de um alto-falante em um lado da galeria circula pelo prédio, alcançando o ouvinte do outro lado. Graças à baixa perda de propagação e ao baixo volume, as microcavidades WGM ultra-alto Q, como o análogo óptico, capturar fótons que podem circular dentro da cavidade por até centenas de milhares de vezes, de modo que a potência intracavidade é aumentada consequentemente em até cinco ordens de magnitude em relação à entrada.

p "O ultra-alto Q é indispensável para aumentar o poder SH, enquanto a largura de linha ultra-estreita correspondente também apresenta um desafio para nos certificarmos de que tanto a luz de entrada quanto seu segundo sinal harmônico estão em ressonância com os modos de cavidade, "disse Zhang Xueyue, um ex-assistente de pesquisa no grupo do Professor Xiao e um graduando da Universidade de Tsinghua, agora um estudante de graduação na Caltech. "Aqui, empregamos o efeito térmico e o efeito óptico Kerr para atingir esse objetivo de forma dinâmica. "

p Esses efeitos induzem uma mudança de frequência do modo de cavidade e ajudam a realizar dinamicamente uma combinação estável de ambas as ressonâncias da bomba e SH quase simultaneamente, também conhecido como condição de correspondência de fase. Como resultado, o segundo harmônico é alcançado sob uma potência de bomba de menos de um miliwatt, que é o mais baixo entre os poderes relatados em materiais centrossimétricos. A eficiência de conversão correspondente é sem precedentes, tão alta quanto 0,049 por cento W ^-1 , quatorze ordens de magnitude maior do que o caso sem realce na óptica não linear de superfície convencional.

p Além da eficiência ultra-alta, a identificação inequívoca do efeito não linear de superfície também é uma característica fundamental que torna possível a análise de superfície aprimorada por cavidade. Em sílica, os efeitos multipolares em massa podem perturbar o estudo determinístico das propriedades da superfície, que há muito é um grande desafio na ciência de superfícies. Para identificar ainda mais as origens dos sinais não lineares, os pesquisadores analisaram a polarização da bomba e a propriedade de distribuição espacial do segundo sinal harmônico gerado. Consequentemente, eles alcançaram experimentalmente o segundo harmônico apenas a partir da não linearidade induzida por quebra de simetria de superfície e eliminaram os efeitos multipolares em massa, em vez da mistura das duas contribuições.

p "Este experimento atinge o maior recorde de eficiência SHG em fotônica de sílica, "disse o professor Xiao." Mais importante, o trabalho pode abrir a oportunidade de combinar a detecção específica de superfície e o aumento de ressonância de microrressonadores. O mecanismo e o esquema que aprendemos e desenvolvemos neste trabalho, incluindo o método de correspondência de fase dinâmica, atuará como a pedra fundamental para várias aplicações, especialmente na análise de superfície ultra-sensível. "