I materiali costituiti da pochi strati atomici mostrano proprietà determinate dalla fisica quantistica. In una pila di tali strati, le vibrazioni degli atomi possono essere innescate dalla luce infrarossa. Nuovi lavori sperimentali e teorici mostrano che le vibrazioni atomiche all'interno degli strati di nitruro di boro esagonale, i cosiddetti fononi ottici trasversali, accoppiarsi direttamente ai movimenti degli strati l'uno contro l'altro. Per un periodo di circa 20 ps, l'accoppiamento determina uno spostamento verso il basso della frequenza dei fononi ottici e della loro risonanza ottica. Questo comportamento è una proprietà genuina del materiale quantistico e di interesse per applicazioni nell'optoelettronica ad alta frequenza.

Il nitruro di boro esagonale è costituito da strati in cui gli atomi di boro e azoto legati in modo covalente formano una serie regolare di sei anelli (Fig. 1). Gli strati vicini sono accoppiati tramite l'interazione di van der Waals molto più debole. Vibrazioni di atomi di boro e azoto nello strato, i cosiddetti fononi ottici trasversali (TO), mostrano una frequenza di oscillazione dell'ordine di 40 Terahertz (THz, 4×10 ¹³ vibrazioni al secondo) che è da dieci a cento volte superiore a quella dei movimenti di taglio e di respirazione degli strati l'uno rispetto all'altro. Finora, non c'era quasi nessuna comprensione della durata di tali movimenti dopo l'eccitazione ottica e del loro accoppiamento.

Una collaborazione internazionale di scienziati di Berlino, Montpellier, Nantes, Parigi e Itaca (U.S.) presentano ora dettagliati risultati sperimentali e teorici sulla dinamica ultraveloce di fononi accoppiati in nitruro di boro esagonale a pochi strati ( Revisione fisica B 104, L140302 (2021)). I fononi ottici trasversali (TO) in uno stack da otto a nove strati di nitruro di boro mostrano una durata di 1,2 ps (1 ps =10 ^-12 S), mentre le modalità di taglio e respirazione mostrano un tempo di decadimento di 22 ps (Fig. 2b). Tali tempi di vita sono stati misurati direttamente in esperimenti di pump-probe a femtosecondi e sono in ottimo accordo con i valori derivati ​​da un'analisi teorica dei canali di decadimento dei fononi.

Le eccitazioni delle modalità di taglio e respirazione inducono un caratteristico down-shift spettrale della risonanza fononica TO negli spettri ottici (Fig. 2a). I calcoli teorici forniscono l'energia di accoppiamento tra le diverse modalità della pila di strati e mostrano che l'accoppiamento corrispondente è trascurabilmente piccolo in un cristallo di nitruro di boro sfuso costituito da molti strati. Così, le dinamiche vibrazionali accoppiate osservate rappresentano una proprietà genuina del materiale quantistico.

Lo spostamento spettrale della risonanza fononica TO negli spettri ottici è un effetto ottico non lineare che può essere indotto da luce di potenza moderata. Questo è di interesse per le applicazioni nell'optoelettronica e contiene il potenziale per i modulatori ottici e gli interruttori nella gamma di frequenze da giga a terahertz.