Учёные научились управлять терагерцевым светом для создания сверхбыстрой электроники

Автор: Леонардо Вити и др.

В прорывном исследовании для технологий следующего поколения учёные научились точно управлять поведением крошечных волн света и электронов, открывая путь к более быстрой связи и квантовым устройствам.

Управление светом в мельчайших масштабах крайне важно для создания невероятно компактных, быстрых и эффективных устройств. Вместо громоздких проводов и схем мы можем использовать свет для передачи информации. Одна из проблем этого подхода заключается в том, что свет с его относительно большой длиной волны не так просто ограничить малыми пространствами.

Однако в исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, исследователи разработали метод управления крошечными волнами света и электронов, называемыми дираковскими плазмон-поляритонами (DPP).

В отличие от обычного света, DPP могут сжиматься в крошечные пространства, которые в сотни раз меньше их естественной длины волны. Это означает, что свет можно ограничивать и направлять в устройствах на наномасштабе. В этом новом исследовании учёные продемонстрировали, как они управляли DPP в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот. Эта область находится между микроволнами и инфракрасным светом в электромагнитном спектре и представляет собой в значительной степени неисследованную часть светового спектра.

Исследовательской группе удалось контролировать эти волны, используя особый класс наноматериалов, называемых топологическими изоляторами (TI). TI уникальны тем, что их внутренняя часть ведёт себя как электрический изолятор, а поверхность действует как проводник. В частности, исследователи работали с передовым материалом под названием эпитаксиальный Bi₂Se₃. Они расположили крошечные полоски этого материала рядом друг с другом с зазорами между ними. Регулировка зазоров имела два важных последствия.

Во-первых, они смогли настроить или контролировать длину волны, уменьшив её примерно на 20%. Во-вторых, они увеличили длину затухания более чем на 50%. Это расстояние, которое волны могут пройти, прежде чем потеряют значительное количество энергии. Эти два достижения позволили решить основные проблемы использования DPP (более высокий импульс по сравнению с обычным световым пучком и быстрая потеря энергии), сделав их более практичными для реальных применений.

«Наши результаты демонстрируют, что можно настраивать спектральный отклик ТГц-резонаторов на основе Bi₂Se₃, регулируя зазор. Эти знания можно использовать в качестве стратегии проектирования для реализации архитектур на основе TI», — написали исследователи в своей работе.

Этот прорыв в управлении световыми волнами может привести к созданию регулируемых и энергоэффективных ТГц-устройств. ТГц-волны могут передавать больше данных, чем современные Wi-Fi или 5G, что означает мгновенные загрузки и более безопасную сеть. Эта технология также может обеспечить более чёткое и безопасное медицинское изображение и предоставить строительные блоки для более мощных квантовых компьютеров.

Больше информации: Leonardo Viti et al, Tracing terahertz plasmon polaritons with a tunable-by-design dispersion in topological insulator metaelements, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01884-0