Emergent higher-order optical nonlinearity in self-assembled polar supertextures

La luce è da tempo molto più di un semplice modo per vedere; è uno strumento per dare forma al mondo. Dallo sviluppo del laser, gli scienziati hanno imparato a usare la luce non solo per illuminare, ma anche per controllare i materiali, cambiandone le proprietà in un battito di ciglia. Questo campo, noto come ottica non lineare, si basa sul fatto che quando la luce è abbastanza intensa, può interagire con la materia in modi complessi, creando nuovi colori o attivando e disattivando segnali. Tuttavia, affinché queste interazioni siano davvero utili nelle tecnologie future, come l'informatica ultrafast o la comunicazione sicura, i materiali utilizzati devono essere in grado di rispondere rapidamente e con forza alla luce, specialmente agli effetti che vanno oltre le interazioni più basilari. Trovare materiali che possano farlo naturalmente, senza dover essere ingegnerizzati artificialmente in schemi complessi, è stata una sfida difficile.

Un team di ricercatori ha ora scoperto un modo per ottenere questo risultato utilizzando un tipo speciale di materiale che si organizza da solo. Hanno lavorato con una struttura stratificata composta da due diversi tipi di cristalli, il titanato di piombo e il titanato di stronzio, impilati l'uno sull'altro su scala atomica. In questa specifica disposizione, le cariche elettriche all'interno del materiale non si allineano in modo semplice e uniforme. Invece, ruotano in piccoli vortici tridimensionali chiamati skyrmion polari. Questi non sono statici; sono texture dinamiche in cui la direzione della polarizzazione elettrica ruota fluidamente dal centro di un piccolo vortice verso il suo bordo. I ricercatori volevano vedere cosa sarebbe successo se avessero colpito queste strutture rotanti con un impulso di luce medio-infrarossa, un tipo di radiazione che si colloca tra il calore che sentiamo e la luce che vediamo.

Quando il team ha sparato questi impulsi medio-infrarossi sul materiale, è accaduto qualcosa di straordinario. La luce ha innescato un massiccio e istantaneo scoppio di nuova luce esattamente alla metà della lunghezza d'onda dell'impulso in entrata. Questo processo, chiamato generazione di seconda armonica, è un modo standard per misurare come un materiale reagisce alla luce. In condizioni normali, gli skyrmion rotanti producono un segnale molto debole perché i modelli rotanti si annullano a vicenda. Ma quando l'impulso medio-infrarosso è arrivato, il segnale è aumentato di un fattore venti. Non si è trattato di un cambiamento lento; è avvenuto con la stessa velocità dell'impulso luminoso, durando solo poche centinaia di femtosecondi, ovvero un quadrilionesimo di secondo. I ricercatori hanno scoperto che la forza di questa nuova luce non cresceva semplicemente in proporzione alla potenza dell'impulso in entrata. Al contrario, cresceva molto più velocemente, seguendo un modello che indicava un livello di complessità molto più elevato nella risposta del materiale.

Per capire perché ciò stesse accadendo, il team ha esaminato attentamente come il segnale cambiava all'aumentare della potenza della luce in entrata. Hanno scoperto che la risposta non era guidata dalle semplici e comuni interazioni osservate nella maggior parte dei materiali. In un cristallo standard, la risposta alla luce solitamente cresce in modo prevedibile e quadratico. Qui, il segnale cresceva in un modo che suggeriva che il materiale stesse reagendo alla quarta potenza della forza della luce. Ciò significa che il materiale stava partecipando a una danza di scambio di energia molto più intricata di quanto precedentemente previsto in uno spazio così piccolo. I ricercatori hanno anche osservato che il segnale oscillava, o traballava, in sincronia con l'impulso luminoso in entrata, ma questo trabocchetto seguiva un modello cubico, crescendo con la terza potenza della forza della luce. Queste specifiche relazioni matematiche hanno escluso spiegazioni più semplici, come il semplice riscaldamento del materiale da parte della luce o un lento spostamento della sua struttura.

Il team ha utilizzato simulazioni al computer per visualizzare ciò che accadeva all'interno del materiale durante questi momenti fugaci. I modelli hanno mostrato che l'impulso medio-infrarosso causava l'oscillazione rapida delle cariche elettriche all'interno degli skyrmion. Fondamentalmente, la capacità del materiale di immagazzinare energia elettrica, nota come permittività, non era uniforme. All'interno delle texture rotanti, questa proprietà variava selvaggiamente da un luogo all'altro, con alcune aree che presentavano valori positivi e altre valori negativi. Ciò ha creato un paesaggio naturale, auto-assemblato, di regioni alternate che agiva in modo simile a un metamateriale creato dallamente uomo, ma che si è formato senza alcuna ingegneria esterna. Questa struttura interna ha permesso al campo elettrico della luce di diventare incredibilmente forte in certi punti, amplificando la risposta non lineare. Le simulazioni hanno confermato che questo effetto era guidato dal movimento rapido delle cariche e dal modo unico in cui la struttura interna del materiale rispondeva al campo, piuttosto che da un processo lento guidato dal calore.

I ricercatori hanno anche testato altri tipi di schemi rotanti in materiali simili, inclusi diversi arrangiamenti a vortice e a strisce. Hanno scoperto che anche queste altre texture mostravano forti risposte non lineari, sebbene i modelli specifici di crescita differissero leggermente. Ciò suggerisce che la capacità di generare questi segnali potenti e ultrafast è una caratteristica generale di queste texture polari auto-organizzate, non solo un caso fortuito della forma dello skyrmion. Il fattore chiave sembra essere la variazione periodica nelle proprietà elettriche interne del materiale, che crea un ambiente naturale per potenziare le interazioni luce-materia.

Questa scoperta punta verso un nuovo modo di costruire dispositivi ottici. Invece di cercare di incidere schemi complessi nei materiali utilizzando laser o strumenti di incisione, gli scienziati potrebbero essere in grado di utilizzare materiali che si organizzano da soli in queste strutture utili. Il materiale basato su skyrmion operava a temperatura ambiente e rispondeva in meno di un picosecondo, rendendolo un forte candidato per applicazioni future. I ricercatori suggeriscono che queste scoperte potrebbero aiutare a creare interruttori ottici più veloci, dispositivi che convertono segnali terahertz invisibili in luce visibile e nuove piattaforme per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Sfruttando le proprietà intrinseche di queste texture auto-assemblate, potrebbe essere possibile sbloccare una nuova generazione di tecnologie ottiche ad alta velocità che siano allo stesso tempo potenti ed efficienti.