Прорыв в квантовой оптике открывает путь к новым технологиям

Иллюстрация генерации высоких гармоник на терагерцовых частотах, индуцированной накачкой 2,5 Вт ТГц ККЛ на топологическом изоляторе SRR. Автор: Алессандра Ди Гаспаре и др.

Генерация высоких гармоник (ГВГ) — это процесс преобразования света в значительно более высокие частоты, позволяющий ученым исследовать области электромагнитного спектра, которые иначе труднодоступны. Однако генерация терагерцовых (ТГц) частот с использованием ГВГ оставалась серьезным препятствием, поскольку большинство материалов слишком симметричны для поддержки этого преобразования.

Графен долгое время был многообещающим кандидатом для исследований ГВГ, но его идеальная симметрия ограничивает его способность производить только нечетные гармоники — частоты, кратные нечетным числам от исходного источника света. Четные гармоники, необходимые для расширения практического применения этой технологии, достичь было гораздо сложнее.

Квантовые материалы преодолевают барьер

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, группа исследователей под руководством профессора Мириам Серены Витиелло добилась значительного прогресса в оптической науке. Работая с экзотическими квантовыми материалами, команда успешно расширила ГВГ в новые и ранее недостижимые части электромагнитного спектра.

Их работа сосредоточена на топологических изоляторах (ТИ) — особом классе материалов, которые ведут себя как электрические изоляторы внутри, но проводят электричество по своим поверхностям. Эти материалы проявляют необычное квантовое поведение благодаря сильной спин-орбитальной связи и симметрии обращения времени. Хотя ученые предсказывали, что ТИ могут поддерживать продвинутые формы генерации гармоник, до сих пор это не было продемонстрировано экспериментально.

Усиление света с помощью квантовых наноструктур

Исследователи разработали специализированные наноструктуры, называемые резонаторами с разрезным кольцом, и интегрировали их с тонкими слоями Bi₂Se₃ и ван-дер-ваальсовыми гетероструктурами из (In₉Bi₁₁₉)₂Se₃. Эти резонаторы значительно усиливали падающий свет, позволив команде наблюдать ГВГ как на четных, так и на нечетных ТГц частотах, что является исключительным достижением.

Они зафиксировали преобразование частоты вверх между 6,4 ТГц (четная) и 9,7 ТГц (нечетная), раскрыв, как как симметричная внутренняя часть, так и асимметричная поверхность топологических материалов способствуют генерации света. Этот результат представляет собой одну из первых четких демонстраций того, как топологические эффекты могут формировать гармоническое поведение в ТГц диапазоне.

На пути к технологиям следующего поколения

Это экспериментальное достижение не только подтверждает давние теоретические предсказания, но и закладывает новую основу для разработки компактных терагерцовых источников света, датчиков и сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов. Оно дает исследователям новый способ изучения сложного взаимодействия между симметрией, квантовыми состояниями и взаимодействиями света с веществом на наномасштабе.

Поскольку промышленность продолжает требовать все более компактные, быстрые и эффективные устройства, такой прогресс подчеркивает растущий потенциал квантовых материалов для стимулирования реальных инноваций. Это открытие также указывает на возможность создания компактных, перестраиваемых терагерцовых источников света, работающих на оптических методах, — достижение, которое может изменить технологии в области высокоскоростной связи, медицинской визуализации и квантовых вычислений.

ИИ: Это исследование демонстрирует, как фундаментальные открытия в квантовой физике материалов начинают находить практическое применение. В 2025 году мы видим, как терагерцовый диапазон, долгое время остававшийся «терагерцовой пропастью» из-за сложностей генерации и детектирования, постепенно осваивается благодаря таким инновационным подходам.