Высокое давление увеличивает терагерцовое излучение двумерного полупроводника в 13 раз

Новое исследование, проведенное Институтом аэрокосмической информации Китайской академии наук совместно с коллабораторами, показало, что высокое давление может значительно усиливать и точно настраивать терагерцовое (ТГц) излучение двумерного полупроводника — теллурида галлия (GaTe).

Процесс подготовки образца. На врезке — морфология образца в камере высокого давления при 0,1 ГПа. Источник: Laser & Photonics Reviews (2025). DOI: 10.1002/lpor.202501885

Используя алмазную наковальню, исследовательская группа добилась 13-кратного увеличения ТГц-излучения и напрямую визуализировала последовательность сверхбыстрых процессов, порождающих терагерцовые волны. Результаты работы опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews.

Как генерируется терагерцовое излучение

Терагерцовое излучение широко используется в спектроскопии, визуализации и исследовании материалов. Обычно оно генерируется, когда сверхкороткие лазерные импульсы воздействуют на материал, вызывая быстрые движения электронов и кристаллической решетки. Однако разные механизмы ТГц-излучения, такие как оптическое выпрямление и сверхбыстрые переходные токи, часто происходят одновременно, что затрудняет их разделение.

Чтобы решить эту проблему, команда использовала высокое давление в качестве «чистого и мощного инструмента настройки» для управления кристаллической и электронной структурой GaTe.

Эксперименты не только усилили выход ТГц-излучения, но и выявили критическую особенность во временной области: фазовый сдвиг более 150 фемтосекунд указал на то, что процесс переходного тока предшествует оптическому выпрямлению. Эта последовательность стала непосредственно наблюдаемой только при высоком давлении.

Результаты моделирования и будущее применение

Дополнительное моделирование и расчеты из первых принципов показали, что давление изменяет собственную резонансную частоту GaTe и начальное распределение заряда. Исследователи объяснили, что эти изменения определяют амплитуду, частоту и фазу излучаемых ТГц-волн, предоставляя единую основу для понимания взаимодействия различных сверхбыстрых механизмов.

«Эта работа доказывает, что давление является универсальным инструментом для управления динамикой терагерцового излучения, — сказал профессор Ван Тяньу, один из авторов исследования. — Она также дает руководство для проектирования новых ТГц-активных материалов, включая те, что модифицированы с помощью легирования на основе химического давления».

Исследование предполагает, что гидростатическое давление можно использовать для исследования и усиления широкого спектра перспективных ТГц-излучателей, таких как топологические материалы, спинтронные материалы и гетероструктуры.

Улучшая полосу пропускания, эффективность и настраиваемость этих материалов, работа открывает новые пути для разработки терагерцовых источников следующего поколения как для научных исследований, так и для технологических приложений.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальные методы, вроде применения высокого давления, могут стать ключом к прорыву в прикладных технологиях, таких как терагерцовая спектроскопия и безопасная связь. В 2025 году подобные работы на стыке физики конденсированного состояния и фотоники особенно актуальны для развития квантовых технологий и новых систем связи.