Gigantische, durch elektrische Felder induzierte, zweite Harmonische Generierung in polaren Skyrmionen

Zusammenfassung Die durch elektrische Felder induzierte zweite Harmonische Generierung ermöglicht die elektrische Steuerung nichtlinearer Licht-Materie-Interaktionen, die für aufkommende integrierte Photonik-Anwendungen entscheidend sind. Trotz ihrer weitreichenden Präsenz in Materialien müssen die Leistungskennzahlen der durch elektrische Felder induzierten zweiten Harmonischen Generierung noch angehoben werden, um neuartige Gerätefunktionen zu ermöglichen. Hier zeigen wir, dass die polaren Skyrmionen, eine topologische Phase, die spontan in PbTiO3/SrTiO3- ferroelektrischen Superlattices gebildet wird, eine hohe umfassende Leistung bei der durch elektrische Felder induzierten zweiten Harmonischen Generierung aufweisen. Die nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung und die Modulationstiefe, gemessen unter nicht-resonanter 800 nm Anregung, erreichen ~54,2 pm V −1 und ~664% V −1, sowie eine hohe Reaktionsbandbreite (höher als 10 MHz), einen breiten Betriebsbereich der Temperatur (bis zu ~400 K) und eine gute Ermüdungsbeständigkeit (>10 10 Zyklen) zeigen ebenfalls ihre Leistung. Durch kombinierte In-situ-Experimente und Phasenfeldsimulationen stellen wir die mikroskopischen Verbindungen zwischen der exotischen Polarisationskonfiguration und den durch elektrische Felder induzierten Übergangswegen der Skyrmionen sowie deren Antwort auf die durch elektrische Felder induzierte zweite Harmonische Generierung her. Unsere Studie präsentiert nicht nur ein hochwettbewerbsfähiges Dünnfilm-Material, das bereit ist, auf Chip-Geräte zu bauen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Nutzung topologischer polaren Strukturen in den Bereichen Photonik und Optoelektronik.