I processi ottici non lineari del secondo ordine svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni sia classiche che quantistiche, che vanno dall'estensione delle frequenze accessibili alla generazione di coppie di fotoni entangled quantistici e stati schiacciati. Questa non linearità è esclusa, Sfortunatamente, per simmetria di inversione nei materiali che sono al centro della fotonica integrata, Per esempio, silice, silicio e nitruro di silicio.

Ora, un team di ricercatori guidati dal professor Xiao Yun-Feng e dal professor Gong Qihuang dell'Università di Pechino, in collaborazione con il professor Liu Yu-Xi Tsinghua University (Cina), il professor Qiu Cheng-Wei alla National University of Singapore (Singapore) e il professor Yang Lan alla Washington University di St. Louis (USA), ha dimostrato la generazione di seconda armonica (SHG) indotta dalla rottura della simmetria sulla superficie di una microcavità in modalità WGM (silica whispering gallery). Questo lavoro è stato pubblicato online in Fotonica della natura .

SHG, un fondamentale effetto ottico non lineare del secondo ordine, è il processo in cui due fotoni con la stessa frequenza interagiscono con il materiale non lineare e vengono combinati per generare un fotone al doppio della frequenza. Nei materiali con simmetria di inversione, SHG è vietato a causa del potenziale simmetrico sperimentato dagli elettroni. Però, sulla superficie/interfaccia di questi materiali, gli elettroni vedono un potenziale diverso ai due lati della superficie/interfaccia, naturalmente dando luogo alla rottura della simmetria della superficie. Così, la rottura della simmetria di inversione consente effetti non lineari del secondo ordine in superficie, aprendo una porta significativa per caratterizzare le superfici/interfacce di grande importanza in fisica, chimica, biologia ed elettronica.

"Sfortunatamente, la non linearità dalla rottura della simmetria intrinseca in superficie è solitamente estremamente debole negli studi precedenti, e solo migliaia di fotoni di seconda armonica (SH) sono generati da un impulso di 50 fs con un'intensità media di 500 GW/cm2, " disse Cao Qi-Tao, uno studente laureato all'Università di Pechino.

In questo lavoro, i fisici hanno utilizzato la microcavità WGM ad altissima Q per realizzare il miglioramento della doppia risonanza della non linearità indotta dalla rottura della simmetria in superficie. Il WGM ricorda le risonanze acustiche nella galleria dei sussurri nella Cattedrale di St. Paul a Londra, dove l'onda acustica di un altoparlante su un lato della galleria fa circolare l'edificio, raggiungere l'ascoltatore dall'altra parte. Grazie alla bassa perdita di propagazione e al basso volume, le microcavità WGM ad altissimo Q, come l'analogo ottico, intrappolare fotoni che possono circolare all'interno della cavità fino a centinaia di migliaia di volte, in modo che la potenza intracavità venga conseguentemente potenziata fino a cinque ordini di grandezza rispetto all'ingresso.

"Il Q ultra alto è indispensabile per aumentare la potenza SH, mentre la corrispondente larghezza di riga ultra-stretta rappresenta anche una sfida per noi per assicurarci che sia la luce in ingresso che il suo segnale di seconda armonica siano in risonanza con le modalità della cavità, " disse Zhang Xueyue, un ex assistente di ricerca nel gruppo del professor Xiao e uno studente universitario alla Tsinghua University, ora uno studente laureato al Caltech. "Qui, utilizziamo l'effetto termico e l'effetto ottico Kerr per raggiungere dinamicamente questo obiettivo."

Questi effetti inducono uno spostamento di frequenza della modalità cavità e aiutano a realizzare dinamicamente una corrispondenza stabile sia della pompa che delle risonanze SH quasi simultaneamente, nota anche come condizione di corrispondenza di fase. Di conseguenza, la seconda armonica si ottiene con una potenza della pompa inferiore a un milliwatt, che è la più bassa tra le potenze riportate nei materiali centrosimmetrici. La corrispondente efficienza di conversione è senza precedenti pari allo 0,049 percento W ^-1 , quattordici ordini di grandezza superiore a quello del caso di non miglioramento nell'ottica non lineare superficiale convenzionale.

Oltre all'elevatissima efficienza, anche l'identificazione univoca dell'effetto non lineare della superficie è una caratteristica fondamentale che rende possibile l'analisi della superficie con cavità migliorata. in silice, gli effetti bulk multipolari potrebbero disturbare lo studio deterministico delle proprietà superficiali, che è stato a lungo molto impegnativo nella scienza delle superfici. Per identificare ulteriormente le origini dei segnali non lineari, i ricercatori hanno analizzato la polarizzazione della pompa e la proprietà di distribuzione spaziale del segnale di seconda armonica generato. Di conseguenza, hanno ottenuto sperimentalmente la seconda armonica solo dalla non linearità indotta dalla rottura della simmetria superficiale ed hanno eliminato gli effetti multipolari di massa, invece della miscela dei due contributi.

"Questo esperimento raggiunge il più alto record di efficienza SHG nella fotonica della silice, " ha detto il professor Xiao. "Ancora più importante, il lavoro potrebbe aprire l'opportunità di combinare il rilevamento specifico della superficie e il miglioramento della risonanza da parte dei microrisonatori. Il meccanismo e lo schema che abbiamo appreso e sviluppato in questo lavoro, compreso il metodo di adattamento di fase dinamico, fungerà da pietra macinata per varie applicazioni, soprattutto nell'analisi di superfici ultrasensibili."