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Apr 08, 2023

Regras de projeto para eletro forte

npj Materiais Computacionais

npj Computational Materials volume 6, Número do artigo: 130 (2020) Citar este artigo

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O aumento explosivo da fotônica de silício levou a um interesse renovado no efeito eletro-óptico (EO) ou Pockels devido ao seu uso potencial em muitas aplicações de dispositivos da próxima geração. Para encontrar materiais com uma forte resposta EO em forma de filme fino, que são essenciais para dispositivos de baixa potência e tamanho pequeno, é preciso encontrar uma regra geral de design para materiais Pockels fortes. Para elucidar o que torna o efeito Pockels forte, estudamos o efeito em LiB3O5 (LBO) e CsB3O5 (CBO) e usamos esses materiais como exemplos prototípicos de onde a sabedoria convencional falha. Encontramos os componentes do tensor de Pockels extremamente pequenos em ambos os materiais, apesar do grande grau de anarmonicidade nos cristais, que tem sido usado como proxy para a presença de efeitos eletrônicos não lineares. Nós relacionamos a falta de resposta EO às grandes frequências de fônons ópticos (apesar da relativamente grande suscetibilidade Raman) em LBO e à pequena suscetibilidade Raman (apesar das baixas frequências de fônons) em CBO, respectivamente. Lançamos luz sobre os fenômenos físicos subjacentes à suscetibilidade Raman, que descobrimos estar intimamente ligados à força de acoplamento elétron-fônon dos estados eletrônicos próximos à borda, e identificamos uma rota para descobrir novos materiais EO fortes.

A notável capacidade de um cristal não centrossimétrico de alterar seu índice de refração em resposta a um campo elétrico aplicado, conhecido como efeito Pockels1, tem sido objeto de crescente estudo nos últimos anos devido ao seu potencial para facilitar a propagação de alta velocidade e baixa potência. modulação eletro-óptica em aplicações fotônicas integradas2,3,4,5,6, incluindo transmissão de dados intrachip, chips ópticos de lógica neuromórfica7 e circuitos fotônicos integrados para computação quântica8,9. Sendo linear no campo, o efeito Pockels, ou eletro-óptico linear (EO), coexiste com o muito menor efeito Kerr10 (que é de segunda ordem no campo) e com a geração de segundo harmônico (SHG). O efeito Pockels é mais comumente usado para modulação óptica na indústria de telecomunicações, onde LiNbO3 (LNO), com um coeficiente de Pockels não fixado de r51 = 33 pm/V11, é o atual material "padrão ouro"1,12,13. Devido à complexidade de integrar LNO14,15,16,17 em Si, no entanto, os titanatos de perovskita tornaram-se recentemente os principais assuntos tanto teóricos18,19,20,21,22 quanto experimentais7,17,23,24,25,26, 27,28,29,30,31,32 estudos sobre o uso do efeito Pockels na fotônica do Si. O foco principal desses esforços tem sido o BaTiO3 (BTO), devido à sua integrabilidade com Si (001)27,28,33 e seu grande efeito Pockels não fixado (r42 = 1300 pm/V34), que pode reter valores semelhantes aos do volume mesmo em filmes finos7.

É de suma importância encontrar materiais com grandes respostas de Pockels para diminuir o consumo de energia e/ou tamanho dos dispositivos OE integrados. No entanto, como atualmente não está claro qual mecanismo impulsiona a resposta extremamente alta do BTO em comparação com outros materiais, a busca por alternativas potencialmente melhores até agora procedeu de forma empírica.

Estudos teóricos recentes do efeito Pockels em titanatos de perovskita18,19,20 oferecem um caminho sistemático a seguir. Fredrickson et al.19 exploraram a engenharia de deformação no BTO. Eles encontraram tensões biaxiais críticas nas quais a resposta de Pockels divergia e modos específicos de fônon eram suaves. Hamze e Demkov18 estudaram o mesmo fenômeno em SrTiO3 tenso (STO), e através da análise dos parâmetros do modo Grüneisen relacionaram a anarmonicidade (modos suaves) a uma resposta EO emergente35,36. Paillard et al.20 relataram comportamento semelhante na resposta EO de PbTiO3 (PTO) tenso. Todos esses cristais têm em comum fônons moles e grande anarmonicidade cristalina. Um modelo de oscilador anarmônico 1-D do efeito Pockels37 mostra que o parâmetro de Pockels é diretamente proporcional ao coeficiente do termo de força anarmônica, reforçando a relação assumida entre anarmonicidade e a resposta EO. Notando que, nesses materiais, o efeito Pockels é dominado pela rede, a figura de mérito apropriada é a razão entre a suscetibilidade Raman e o quadrado da frequência do fônon. Pode-se, portanto, inferir a seguinte regra de projeto: cristais altamente anarmônicos e não centrossimétricos devem exibir um grande efeito Pockels.