Исследователи преодолели барьер симметрии света с помощью экзотических квантовых материалов. Их метод позволяет генерировать как чётные, так и нечётные терагерцовые гармоники, открывая доступ к скрытой части электромагнитного спектра.
Это открытие может привести к созданию компактных терагерцовых устройств, которые будут обеспечивать более быструю беспроводную связь и работу квантовых технологий.
Преодоление барьера симметрии
Генерация гармоник высокого порядка (ГВГ) — это мощный метод преобразования света в волны гораздо более высокой частоты, который позволяет учёным изучать области электромагнитного спектра, обычно недоступные для исследования. Однако расширение возможностей ВГ в терагерцовом (ТГц) диапазоне остаётся серьёзной проблемой, поскольку большинство материалов слишком симметричны для эффективного использования этого процесса.
Графен, например, продемонстрировал потенциал в создании новых световых частот, но его идеальная симметрия позволяет генерировать только нечётные гармоники — частоты, которые в нечётное число раз превышают частоту исходной световой волны. Чётные гармоники, необходимые для создания полного спектра света, до сих пор оставались недостижимыми.
Лидирующие позиции занимают квантовые материалы
Группа исследователей под руководством профессора Мириам Серены Витиелло добилась значительного прогресса в области световых технологий, как описано в исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications. Используя необычные свойства экзотических квантовых материалов, учёные смогли получить доступ к ранее недоступным областям электромагнитного спектра.
Их подход основан на использовании топологических изоляторов (ТИ) — материалов, которые внутри себя ведут себя как изоляторы, но проводят электричество по своей поверхности. Эти материалы обладают удивительными квантовыми характеристиками, обусловленными сильным спин-орбитальным взаимодействием и симметрией обращения времени. Хотя теория предполагала, что ТИ могут обеспечивать сложные формы генерации гармоник, до этого нового исследования не было никаких экспериментальных подтверждений.
Усиление света с помощью наноструктур
Команда создала специально разработанные наноструктуры, известные как расщеплённые кольцевые резонаторы, и включила в них тонкие слои Bi2Se3, а также гетероструктуры ван дер Ваальса из (InxBi1-x)2Se3. Эти резонаторы значительно усиливали входящий свет, что позволило исследователям наблюдать эффект гигантского комбинационного рассеяния как на чётных, так и на нечётных терагерцовых частотах — редкое достижение.
Преобразование частоты в сторону увеличения происходило в диапазоне от 6,4 ТГц (чётные значения) до 9,7 ТГц (нечётные значения), что показывает, как симметричная объёмная и асимметричная поверхностная части топологических материалов способствуют генерации света. Это открытие является одним из первых наглядных примеров взаимодействия между симметрией материала и поведением света в терагерцовом диапазоне.
Этот успех подтверждает давние теоретические прогнозы и закладывает основу для создания компактных терагерцовых источников, датчиков и сверхбыстрых оптоэлектронных устройств. Он также открывает новые возможности для изучения взаимодействия между симметрией, квантовыми состояниями и динамикой света и материи на наноуровне.
На пути к реальным квантовым технологиям
По мере развития технологий в сторону создания более быстрых, компактных и эффективных систем возможность управлять светом с помощью квантовых материалов становится ключевой вехой. Это достижение приближает исследователей к тому, чтобы использовать весь потенциал квантовых материалов в практических целях.
Полученные результаты могут привести к созданию компактных терагерцовых источников света с оптической накачкой, которые можно настраивать по частоте. Это может произвести революцию в высокоскоростной беспроводной связи, медицинской визуализации и квантовых вычислениях.