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提升太赫兹频率的量子材料
发布时间:2021-11-08 21:46:02 阅读:233

来源:德国亥姆霍兹国家研究中心联合会;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 聂梦雪 编译

太赫兹脉冲(从左)撞击拓扑绝缘体。它们激发电子,电子的可能状态被限制在能带内。大部分材料中的延伸带(蓝色)显示出能隙,这使得材料成为电绝缘体。但表面的情况完全不同:在这里,能带桥接能隙从而诱发金属反应。实验表明,这些表面状态的电子很快恢复平衡(紫色网格)。相比之下,其他波段的电子需要大约十倍的时间才能静止(黄色网格)。来源:HZDR / Juniks

    拓扑绝缘体以一种特殊的方式导电,并有望实现新型电路和更快的移动通信。在Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)的领导下,来自德国、西班牙和俄罗斯的研究团队对这类新材料的一个基本性质提出了质疑:当材料中的电子被所谓的太赫兹辐射短脉冲“吓一跳”时,它们到底是如何反应的?该团队在《npj Quantum Materials》杂志上报道称,这一结果可能预示着:在未来几年内,用于探索遥远世界的更快的移动数据通信或高灵敏度探测器系统将要到来。

    拓扑绝缘体是最近出现的一类具有特殊量子特性的材料:在它们的表面上,它们几乎可以无损耗地导电,而它们的内部则起着绝缘体的作用——没有电流可以在那里流动。这开辟了有趣的前景:拓扑绝缘体可以形成高效电子元件的基础,这使得它们成为物理学家感兴趣的研究领域。

    但是一些基本问题仍然没有答案。例如,当你使用特定的电磁波――所谓的太赫兹辐射——对材料中的电子进行“轻微撞击”,从而产生激发态时,会发生什么?有一点是明确的:电子希望尽快摆脱强加给它们的能量,比如通过加热它们周围的晶格。然而,在拓扑绝缘体的情况下,以前并不清楚传导表面是否比绝缘核心更快地消除这种能量。“到目前为止,我们只是没有合适的实验来找出答案。”HZDR辐射物理研究所的研究负责人谢尔盖•科瓦列夫博士解释道,“到目前为止,在室温下,很难区分材料的表面反应和内部反应。”

    为了克服这个障碍,他和他的国际团队开发了一种巧妙的测试装置:用密集太赫兹脉冲撞击样本并激发电子。紧接着,激光闪光照射材料,记录样本对太赫兹激励的反应。在第二个测试系列中,特殊的检测器会测量样本表现出不同寻常的非线性效应的程度,并与施加的太赫兹脉冲的频率相乘。科瓦列夫和他的同事们在HZDR的ELBE高功率辐射源中心使用TELBE太赫兹光源进行了这些实验。来自巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所、比勒菲尔德大学、德国航空航天中心、柏林技术大学、罗蒙诺索夫大学和莫斯科科特尔尼科夫无线电工程与电子研究所的研究人员参与了研究。

    高速能量转移

    最关键的是,国际小组不仅调查了单一材料。相反,俄罗斯项目合作伙伴生产了三种不同的拓扑绝缘体,它们具有不同的、精确确定的特性:在某种情况下,只有表面上的电子可以直接吸收太赫兹脉冲。而在其他情况下,电子主要在样品内部被激发。“通过比较这三个实验,我们能够准确区分材料表面和内部的行为,”科瓦列夫解释说。“表面的电子被激发的速度明显快于材料内部的电子。”显然,他们能够立即将能量转移到晶格中。

    用数字来表示:当表面电子在几百飞秒内恢复到它们最初的能量状态时,“内部”电子大约需要10倍的时间,即几皮秒。“拓扑绝缘体是高度复杂的系统。理论一点也不容易理解,”迈克尔•根施说,他是HZDR TELBE设施的前负责人,现在是德国航空航天中心光学传感器系统研究所的系主任,也是柏林理工大学的教授。"我们的结果可以帮助决定哪些理论观点是正确的。”

    高效乘法

    但是这个实验也预示着无线局域网和移动通信等数字通信领域的有趣发展。如今,5G等技术在千兆赫范围内发挥作用。如果我们能够利用太赫兹范围内的更高频率,单个无线电信道可以传输更多的数据,因此倍频器可以发挥重要作用:它们能够将相对较低的无线电频率转换成明显更高的频率。

    不久前,研究团队已经意识到,在特定条件下,石墨烯―—一种二维超薄碳材料——可以充当有效的倍频器。它能够将300千兆赫的辐射转换成一些太赫兹的频率。问题是,当施加的辐射非常强烈时,石墨烯的效率会显著下降。新的研究发现,另一方面,拓扑绝缘体即使在最强烈的刺激下也能发挥作用。“这可能意味着将几兆赫兹的频率增加到几十兆赫兹是可能的,”HZDR物理学家简-克里斯托夫•戴纳特推测,他和谢尔盖•科瓦列夫一起领导着TELBE团队。“就拓扑绝缘体而言,目前看不到尽头.”

    如果这种发展出现,新的量子材料可以在比石墨烯更宽的频率范围内使用。“在德国航天中心,我们对在天文学的高性能外差接收器中使用这种量子材料感兴趣,尤其是在太空望远镜中,”Gensch解释道。

 
 

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