Rasante Schwingungen in Bornitrid

Für das Quantenmaterial Bornitrid wurde jetzt erstmals nachgewiesen, dass ultra­schnelle atomare Schwingungen innerhalb der Schichten – transversal optische Phononen – direkt an Bewegungen der Schichten gegeneinander koppeln. Für ein Zeitintervall von etwa zwanzig Pikosekunden bewirkt diese Kopplung eine Frequenz­verschiebung der optischen Phononen und der zugehörigen optischen Resonanz. Dieses Verhalten ist eine genuine Eigen­schaft des Quanten­materials und von Interesse für Anwendungen in der Opto­elektronik bei höchsten Frequenzen.

Hexagonales Bornitrid besteht aus Schichten, in denen Sechsringe aus gebundenen Bor- und Stickstoffatomen regelmäßig angeordnet sind. Zwischen benachbarten Schichten besteht eine wesentlich schwächere Kopplung über die van der Waals-Wechsel­wirkung. Schwingungen der Bor- und Stickstoffatome in einer Ebene besitzen mit rund vierzig Terahertz eine zehn- bis hundertfach höhere Frequenz als Bewegungen der Ebenen gegeneinander, die Scher- und Atmungs­schwingungen. Über ein Zusammenspiel dieser unter­schiedlichen Bewegungen und ihre Lebensdauer nach optischer Anregung war bisher nahezu nichts bekannt. Im Rahmen einer inter­nationalen Zusammenarbeit haben ForscherInnen aus Berlin, Montpellier, Nantes, Paris und Ithaca detaillierte experimentelle und theo­retische Ergebnisse zur Dynamik gekoppelter Phononen vorgelegt.

Die Phononen zeigen in einem Stapel von acht bis neun Bornitrid­schichten eine Lebensdauer von 1,2 Pikosekunden während Scher- und Atmungsschwingungen für etwa vierzig Pikosekunden angeregt bleiben. Diese Lebensdauern wurden in Pump-Probe-Experimenten mit Femtosekunden­impulsen direkt gemessen. Sie stimmen sehr gut mit theoretischen Berechnungen überein, die auf einer Analyse der Phonon-Zerfalls­kanäle beruhen. Die Anregung von Scher- und Atmungs­schwingungen, die an die Phononen koppeln, führt zu einer charak­teristischen spektralen Verschiebung der Phonon-Resonanz in den optischen Spektren. Die theoretische Analyse liefert die Kopplungs­energie zwischen den Schwingungen und zeigt, dass die entsprechende Kopplung in einem Bornitrid-Volumen­kristall aus einer sehr hohen Zahl atomarer Schichten vernach­lässigbar klein ist.

Das beobachtete gekoppelte Schwingungs­verhalten ist damit eine spezifische Eigenschaft des Quanten­materials. Die nach Anregung der Phononen beobachtete Verschiebung ihres Reflexionsspektrums stellt ein nichtlinear-optisches Verhalten dar, das sich mit moderaten optischen Leistungen hervorrufen lässt. Es ist von Interesse für opto­elektronische Anwendungen im Giga- bis Terahertz-Frequenz­bereich, etwa für optische Schalter und Modulatoren.

MBI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Kang et al.: Ultrafast nonlinear phonon response of few-layer hexagonal boron nitride, Phys. Rev. B 104, L140302 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevB.104.L140302
• Nichtlineare Prozesse in kondensierter Materie, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin