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量子材料使下一代光子学和移动网络在太赫兹系统中发挥作用
发布时间:2022-11-17 22:39:09 阅读:177

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 杨骐语 编译

入射到拓扑绝缘体超材料上的太赫兹辐射(左)被有效地上转换为其三次谐波,这要归功于强大的非线性和高效的电子表面到体的散热。资料来源:K. J. Tielrooij

    太赫兹光是发射光谱中远红外线部分的辐射,尽管它在传感、国土安全检查和未来(第六代)移动网络的许多应用中显示出巨大的潜力,但目前在技术上尚未得到充分的利用。

    事实上,这种辐射由于其光子能量小而无害,但它可以穿透许多材料(如皮肤、包装等)。在过去的十年中,一些研究小组将注意力集中在确定有效产生太赫兹电磁波的技术和材料上:其中有神奇的材料石墨烯,然而,它并没有提供理想的结果。特别是,产生的太赫兹输出功率是有限的。

    根据最近发表在《光:科学与应用》杂志上的一篇论文,拓扑绝缘体(TIs)--在体积上表现为绝缘体而在表面上表现出导电特性的量子材料--现在已经实现了更好的性能。

    这项研究是由Klaas-Jan Tielrooij博士领导的ICN2纳米级系统超快动力学小组和德国德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR,德国)的高场太赫兹驱动现象小组的成员进行的。谢尔盖-科瓦廖夫,与ICREA的Sergio O. Valenzuela教授领导的ICN2纳米器件物理和工程小组的研究人员合作,他们来自英国曼彻斯特大学物理和天文学学院,以及德国维尔茨堡大学物理研究所。实验是在德累斯顿的TELBE太赫兹设施进行的。

    早先的研究表明,承载有效质量为零的电子的材料能够有效地产生太赫兹谐波,包括上述的石墨烯和拓扑绝缘体。当相同频率和能量的光子与物质发生非线性相互作用时,就会发生谐波产生的现象,导致发射能量为入射光子的倍数的光子。这可以被利用,例如,将高GHz系统中的电子产生的信号向上转换为太赫兹系统中的信号。

    Tielrooij博士及其同事研究了两种拓扑绝缘体的行为--原型的Bi2Se3和Bi2Te3--与参考石墨烯样品直接比较。

    他们观察到,虽然在石墨烯中产生的谐波的最大功率受到饱和效应的限制(在高入射功率下产生),但在这些量子材料中,它继续随着入射基本功率而增加。所进行的实验显示,产生的输出功率比石墨烯提高了几个数量级,接近毫瓦级。

    这种行为上的重大差异是由于拓扑绝缘体可以依靠一种高效的冷却机制,即表面的无质量电荷将其电子热耗散到薄膜的其他部分。换句话说,体电子通过沉降电子热量向表面状态的电子伸出援手。

    太赫兹第三谐波的最高输出功率--即具有三倍能量的辐射--是在一个超材料中实现的,该材料包含一个拓扑绝缘体薄膜和一个金属光栅--由材料表面的缝隙分隔的金属条组成。

    "在这项工作中,我们能够证明,在石墨烯中发生的饱和效应在拓扑绝缘体中的存在要少很多。这要归功于拓扑绝缘体的表面电子和体电子之间的一种新的冷却机制,"论文的第一作者Klaas-Jan Tielrooij博士解释说。"这些量子超材料因此使非线性太赫兹光子学技术更近了一大步"。

    论文的最后一位作者Sergey Kovalev补充说:"所获得的结果进一步为研究这些材料的量子特性提供了有趣的可能性,并为量子技术的发展提供了前景。"

 
 

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