Физики впервые смогли заставить экзотические квантовые материалы излучать свет в ранее недоступном терагерцовом диапазоне, и это открытие может стать основой для разработки сверхбыстрых устройств будущего.
Генерация высоких гармоник — это процесс, при котором свет преобразуется в излучение с значительно более высокими частотами, наподобие того, как музыкальная струна создает обертоны. Этот эффект предоставляет ученым возможность исследовать области электромагнитного спектра, которые в противном случае были бы труднодоступны. Однако получение терагерцовых частот до сих пор оставалось серьезной задачей — большинство материалов слишком симметричны для такого преобразования.
Долгое время исследователи надеялись на графен — уникальный материал толщиной в один атом. Однако его идеальная симметрия позволяет генерировать только нечетные гармоники — частоты, кратные нечетным числам от исходного света. Четные гармоники, критически важные для практического применения, получить из графена было практически невозможно.
Команда под руководством профессора Мириам Серены Витиелло нашла элегантное решение, обратившись к топологическим изоляторам — удивительным материалам, которые ведут себя как изоляторы внутри, при этом проводя электричество по своей поверхности. Эти материалы демонстрируют необычные квантовые свойства благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию — явлению, при котором вращение электронов влияет на их движение.
Физики разработали специальные наноструктуры — резонаторы с разрезными кольцами, которые функционируют как микроскопические антенны для усиления света. Они объединили их с тонкими слоями селенида висмута (Bi₂Se₃) и других сложных соединений. Резонаторы многократно усиливали входящий свет, что позволило наблюдать генерацию гармоник как на четных (6,4 ТГц), так и на нечетных (9,7 ТГц) терагерцовых частотах — достижение, считавшееся ранее невозможным.
Таким образом, разработчики технологии наглядно продемонстрировали, что симметричная внутренняя часть и асимметричная поверхность топологических материалов совместно участвуют в генерации света. Это одно из первых убедительных доказательств того, как топологические эффекты формируют поведение света в терагерцовом диапазоне.
Практическое значение данного открытия трудно переоценить. Терагерцовое излучение проникает через многие материалы, непрозрачные для видимого света, но не ионизирует клетки, что делает его идеальным для медицинской визуализации и безопасных систем досмотра. Новая технология может привести к созданию компактных терагерцовых источников света и сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов, необходимых для следующего поколения устройств связи и квантовых компьютеров.
Фото: hi-tech.mail.ru