Come si cambia il colore della luce laser? Un metodo popolare per ottenere ciò è il cosiddetto effetto di generazione della seconda armonica (SHG), che raddoppia la frequenza della luce e quindi cambia il suo colore. Però, osservare questo effetto non lineare richiede un cristallo polare in cui la simmetria di inversione è rotta. Per questa ragione, l'identificazione di cristalli che possono suscitare forti SHG è un importante argomento di ricerca con applicazioni nella scienza dei materiali.

L'osservazione di fenomeni ottici non lineari come SHG richiede una suscettività elettrica finita del secondo ordine, che si verifica all'interno di qualsiasi struttura polare senza simmetria di inversione e forte luce laser o impulsi. Nell'ossido di cobalto di tipo perovskite BiCoO3 utilizzato in questo lavoro, nella cellula unitaria sono presenti uno spostamento di ossigeno apicale lungo l'asse c e una piramide di Co-O5, con conseguente rottura della simmetria e una grande polarizzazione spontanea a temperatura ambiente. Per l'impulso laser, la forte onda elettromagnetica con un campo elettrico fino a ~1 MV/cm nella regione dell'energia THz è stata sviluppata da Hideki Hirori e dal suo team presso iCeMS ed è stata utilizzata per ottenere un controllo ultraveloce del comportamento non lineare di BiCoO3.

Yoichi Okimoto del Tokyo Institute of Technology e i suoi colleghi erano particolarmente interessati a capire come l'intensità di SHG dal cristallo BiCoO3 cambia quando irradiata con un THz (cioè, lontano infrarosso) impulso laser a temperatura ambiente. In particolare, è stato osservato un miglioramento senza precedenti di SHG di oltre il 50 %, indicando che l'utilizzo della luce laser THz in questo modo può migliorare significativamente la figura di merito dei cristalli non lineari. Inoltre, questo effetto si verifica sulla scala temporale dei 100 femtosecondi (10-13 s), suggerendo possibili applicazioni a dispositivi optoelettronici ultraveloci.

Meccanicamente, il potenziamento ultrarapido del segnale di seconda armonica può essere inteso in termini di transizioni d-d da stato occupato a stato non occupato che esistono attorno all'ampia banda di energia dell'impulso THz applicato. Gli elettroni fotoeccitati allungano gli atomi di ossigeno apicale delle piramidi Co-O5 nella struttura cristallina tramite l'accoppiamento elettrone-fonone, aumentando così la sua struttura polare (e quindi la suscettibilità elettrica di secondo ordine).

Le future indagini sullo stato fotoeccitato di BiCoO3 e altri materiali di ossido polare prenderanno in considerazione risposte ottiche non lineari di ordine superiore e misurazioni strutturali ultraveloci utilizzando l'impulso THz per chiarire ulteriori dettagli meccanicistici di questi affascinanti materiali.