Fig 1:3 de 4 Modo óptico transversal. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Os materiais que consistem em algumas camadas atômicas exibem propriedades determinadas pela física quântica. Em uma pilha dessas camadas, as vibrações dos átomos podem ser desencadeadas por luz infravermelha. Novos trabalhos experimentais e teóricos mostram que as vibrações atômicas dentro das camadas de nitreto de boro hexagonal, os chamados fônons ópticos transversais, acoplar diretamente aos movimentos das camadas umas contra as outras. Por um período de cerca de 20 ps, o acoplamento resulta em um deslocamento para baixo da frequência dos fônons ópticos e sua ressonância óptica. Este comportamento é uma propriedade genuína do material quântico e de interesse para aplicações em optoeletrônica de alta frequência.
O nitreto de boro hexagonal consiste em camadas nas quais os átomos de boro e nitrogênio ligados covalentemente formam um arranjo regular de seis anéis (Fig. 1). Camadas vizinhas são acopladas por meio da interação de van der Waals muito mais fraca. Vibrações de átomos de boro e nitrogênio na camada, os chamados fônons ópticos transversais (TO), mostram uma frequência de oscilação da ordem de 40 Terahertz (THz, 4 × 10 13 vibrações por segundo), que é dez a cem vezes maior do que os movimentos de cisalhamento e respiração das camadas umas em relação às outras. Até aqui, não havia quase nenhum insight sobre o tempo de vida de tais movimentos após a excitação óptica e em seu acoplamento.
Uma colaboração internacional de cientistas de Berlim, Montpellier, Nantes, Paris e Ithaca (EUA) agora apresentam resultados experimentais e teóricos detalhados sobre a dinâmica ultrarrápida de fônons acoplados em nitreto de boro hexagonal de poucas camadas ( Revisão Física B 104, L140302 (2021)). Fônons ópticos transversais (TO) em uma pilha de oito a nove camadas de nitreto de boro exibem uma vida útil de 1,2 ps (1 ps =10 -12 s), enquanto os modos de cisalhamento e respiração mostram um tempo de decaimento de 22 ps (Fig. 2b). Tais tempos de vida foram medidos diretamente em experimentos com bomba de femtossegundo e estão em muito boa concordância com os valores derivados de uma análise teórica dos canais de decaimento do fônon.
Excitações de cisalhamento e modos de respiração induzem um desvio espectral característico da ressonância do fônon TO no espectro óptico (Fig. 2a). Cálculos teóricos fornecem a energia de acoplamento entre os diferentes modos da pilha de camadas e mostram que o acoplamento correspondente é desprezivelmente pequeno em um cristal de nitreto de boro que consiste em muitas camadas. Assim, a dinâmica vibracional acoplada observada representa uma propriedade genuína do material quântico.
Fig. 2. (a) Espectro de refletividade estacionário (linha preta grossa) de uma pilha de 8 a 9 camadas hexagonais de nitreto de boro na faixa da ressonância de fônon TO. A refletividade é plotada em função da frequência. Os símbolos exibem a mudança de refletividade DR =(R-R0) / R0 observada após a excitação de femtossegundo da amostra nos tempos de atraso dados na inserção (R, R0:refletividade com e sem excitação). Em tempos de atraso superiores a 3 ps, o aumento da refletividade em baixa frequência e sua diminuição em alta frequência correspondem a um deslocamento para baixo da ressonância do fônon TO, induzida pela excitação dos modos de cisalhamento e respiração. (b) Mudança de refletividade em 40,7 THz (seta vermelha no painel (a)) e em 41 THz (seta azul no painel (a)) como uma função do tempo de atraso entre os pulsos da bomba e da sonda (em picossegundos). Os transientes exibem um decaimento rápido com uma constante de tempo de 1,2 ps, a vida útil do TO phonon, e uma decadência lenta com 22 ps, a vida útil dos modos de cisalhamento e respiração. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
O deslocamento espectral da ressonância do fônon TO no espectro óptico é um efeito óptico não linear que pode ser induzido por luz de potência moderada. Isso é de interesse para aplicações em optoeletrônica e tem potencial para moduladores ópticos e interruptores na faixa de frequência de giga- a terahertz.
