PokerStop

A terahertzes generáció forradalmi áttörést ért el, mivel a tudósoknak egzotikus kvantumanyagok segítségével sikerült áttörniük a fény szimmetriahatárát. Ez a technológiai határterület eddig nagyrészt kiaknázatlan maradt, de egy olyan átalakulásnak vagyunk tanúi, amely a kvantumszámítógépeket a létező leggyorsabb programozható gépekké teheti, jelentősen felülmúlva a hagyományos rendszereket.

Továbbá ez a tudományos eredmény nem csupán elméleti – a kutatók páros és páratlan terahertzes frekvenciákat is kimutattak magas rendű harmonikus generálással (HHG), topológiai szigetelők használatával. Ez a terahertzes sugárzás generálásának fejlődése izgalmas lehetőségeket nyit meg a terahertzes spektrum egészében. Konkrétan a terahertzes hullámgenerálás következményei túlmutatnak a laboratóriumokon, potenciálisan gyorsabb vezeték nélküli kommunikációs rendszereket és kvantumtechnológiákat működtetve, amelyek szobahőmérsékleten is hatékonyan működnek. Ez az áttörés alapvető változást jelent a kvantumfény-manipuláció megközelítésében, messzemenő következményekkel járva az ultragyors elektronika és a kvantum-számítástechnika számára.

A kutatók áttörik a szimmetria akadályt, hogy terahertzes sugárzást generáljanak

A hatékony terahertzes sugárzás előállításának keresése alapvető akadállyal néz szembe, amely a fizika törvényeiben gyökerezik. A szimmetria, bár a természetben gyönyörű, jelentős korlátokat támaszt a hagyományos anyagokkal dolgozó tudósok számára.

Miért nem képesek a hagyományos anyagok egyenletes felharmonikusokat előállítani?

A centroszimmetrikus anyagok kritikus kihívást jelentenek a terahertzes hullámgenerálás szempontjából, mivel csak páratlan rendű harmonikusokat képesek előállítani, ami jelentősen korlátozza képességeiket. Ez a korlátozás a bennük rejlő szimmetrikus szerkezetből ered. A legtöbb javasolt terahertzes metaanyag szigorú szimmetria-korlátok – beleértve a transzlációs, tükör- és forgásszimmetriát – alatt működik, amelyek potenciálisan hatékonyabb rezonáns sajátmódusokat árnyékolnak.

Ezek a szimmetriakorlátok akadályként működnek, amelyek megakadályozzák bizonyos frekvenciák, különösen a páros rendű harmonikusok előállítását, amelyek egyébként kiterjesztenék a használható terahertzes spektrumot. Következésképpen a hagyományos hullámvezetők és a hullámvezető típusú eszközök továbbra sem kielégítőek ezen szerkezeti szimmetriakorlátok miatt. A páros és páratlan harmonikusok előállításának képtelensége korlátozza az alkalmazások számára rendelkezésre álló frekvenciatartományt.

Hogyan győzik le a topológiai szigetelők a szimmetria korlátait?

A topológiai szigetelők (TI-k) forradalmi megközelítést kínálnak ezen szimmetria-korlátok leküzdésére. A hagyományos anyagokkal ellentétben a TI-k a spin-pálya kölcsönhatást idő-visszafordításos szimmetriával kombinálják, így fordított sávrendű szigetelő tömbi állapotokat hoznak létre, amelyek vezető felületi állapotokhoz kapcsolódnak. Ezek az egyedi tulajdonságok lehetővé teszik a szimmetria megsértését a felületi szinten.

A terahertzes emissziós spektroszkópia erőssége pontosan az elektronikus állapotban fellépő szimmetriasértésre való érzékenységében rejlik. A Bi₂Se₃-hez hasonló TI-k másodharmonikus generálási (SHG) képességet mutatnak, mivel nullától eltérő másodrendű szuszceptibilitással rendelkeznek, amely a felületi állapotaikban fellépő inverziós szimmetriasértésből ered. Figyelemre méltó, hogy a centroszimmetrikus Bi₂Se₃-ben a THz-SHG másodrendű válasza csak akkor jelentkezik, ha az optikai választ a topológiai felületi állapotok dominálják.

Továbbá a kutatók felfedezték, hogy a periodikus struktúrákba történő szimmetriasértés bevezetése új terahertzes rezonáns módokat generál, beleértve a Fano-rezonanciákat, az elektromágnesesen indukált átlátszóságot, a sötét plazmon rezonanciákat és a kvázi kötött állapotokat. Ezenkívül a fotonikus topológiai szigetelők (PTI-k) koncepciója különféle szimmetriasértő mechanizmusokat – például az időbeli megfordulásos szimmetriasértést mágneses előfeszítés vagy szerkezeti aszimmetria révén – használ ki olyan hullámvezető tulajdonságok elérésére, amelyek ellenállóak maradnak a rendezetlenséggel és a gyártási tökéletlenségekkel szemben.

Ez az áttörés a szimmetriamanipulációban lehetővé teszi mind a páros, mind a páratlan terahertzes harmonikusok generálását, gyakorlatilag megduplázva a rendelkezésre álló frekvenciaopciókat a kommunikáció és a számítástechnika fejlett alkalmazásaihoz.

A tudósok kvantumfényt használnak a magas rendű harmonikus generáció eléréséhez

A kvantupoptika legújabb eredményei rendkívüli megközelítést tártak fel a terahertzes spektrum generálására, amely túlmutat a hagyományos módszereken. A kutatók felfedezték, hogy a kvantumfény példátlan előnyöket kínál a magasabb rendű harmonikus generálás (HHG) terén, új lehetőségeket nyitva meg a terahertzes spektrum korábban elérhetetlen régióinak elérésére.

A kvantumfény szerepe a frekvencia-felkonverzióban

A kvantumfrekvencia-konverzió alapvető technikává vált a különböző hullámhosszon működő kvantumrendszerek összekapcsolására. A kutatók szerint, amikor a fényes préselt vákuum (BSV) hajtja a harmonikus generálási folyamatot, lényegesen hatékonyabb magas harmonikusokat állít elő, mint az azonos átlagos intenzitású klasszikus fény. Ez a figyelemre méltó hatékonyság a BSV egyedi fotonszám-eloszlásából ered, amely 0 és 2×10¹³ foton/impulzus közötti állapotokat fed le.

A gerjesztő tér fotonstatisztikái jelentősen befolyásolják a magas harmonikusok keletkezésének eredményeit. Tanulmányok kimutatták, hogy az összenyomott fény a klasszikus fényhez képest erősen kiterjesztett határértéket mutat, sokkal nagyobb hatékonysággal létrehozva a magas harmonikusokat. A kutatók egy precíz módszert fejlesztettek ki a HHG folyamat leírására az általánosított Neumann-rács bázis segítségével, figyelembe véve a koherens állapotok szuperpozícióját.

A hatékonyságnövekedésen túl a kvantumfény szélesebb körű töltéshordozó-dinamikai vizsgálatokat tesz lehetővé. A BSV-ben található erős alciklusú elektromos térfluktuációk sokkal szélesebb csúcsintenzitás-tartományban teszik lehetővé a szabad töltéshordozó-dinamika vizsgálatát, mint ami a klasszikus fénnyel lehetséges. A terahertzes kvantumérzékelés első demonstrációi már megjelentek, beleértve a politetrafluoretilén lemezek vastagságának mérését terahertzes fotonok segítségével, bifoton interferencia alapján.

Páros és páratlan terahertzes harmonikusok megfigyelése

A terahertzes sugárzás generálásában jelentős áttörést jelent a páros és páratlan harmonikusok egyidejű megfigyelése. A kutatók komplex, nemlineáris átviteli spektrumokról számoltak be, amelyek páros és páratlan harmonikusokat is tartalmaznak, amikor intenzív, ultragyors THz impulzusokkal teszteltek eszközöket, amelyek csúcs elektromos terei 1–150 kV/cm között mozogtak.

Kísérletileg a tudósok egy harmadik harmonikus jelet észleltek, amely pozitív korrelációt mutatott a vivősűrűséggel és a bejövő THz-es teljesítménnyel. A páratlan harmonikusok mellett páros harmonikus jeleket is megfigyeltek, hasonlóan a ferroelektromos anyagokban és a 2D-s anyagokban, például a grafénben, a WSe₂-ben és a MoS₂-ben leírtakhoz.

Lítium-niobát (LN) használatával a kutatók páratlan és páratlan felharmonikusokat is generáltak a nem centroszimmetrikus kristályszerkezet miatt. Lenyűgöző, hogy a BSV-vel generált negyedik-hetedik felharmonikusok legalább 5-15-ször nagyobb hozamot mutattak, mint az azonos átlagos intenzitású koherens impulzusok által generált azonos felharmonikusok. Ez az eredmény megerősíti a kvantumfény terahertzes hullámkeltésre való fokozott képességéről szóló elméleti jóslatokat.

Mérnökök nanostruktúrákat építenek a terahertzes hullámgeneráció felerősítésére

Az innovatív nanostruktúrák a terahertzes sugárzásgenerálási elvek gyakorlati megvalósítását képviselik, fizikai platformokat biztosítva, ahol a kvantumhatások hatékonyan kihasználhatók. A mérnökök olyan speciális struktúrákat terveztek, amelyek drámaian felerősítik a terahertzes sugárzást, így az elérhetővé válik a valós alkalmazások számára.

Hasított gyűrűs rezonátorok és van der Waals heterostruktúrák tervezése

A kutatók mikrometrikus C alakú gyűrűrezonátorokat (CSRR) fejlesztettek ki, amelyek rezonáns struktúrákként működnek a terahertzes hullámok generálásához. Ezek a szubhullámhosszú metaanyag-elemek széles rezonanciákkal rendelkeznek, amelyek litográfiailag pontosan hangolhatók. Az optimális kialakítás egy 1,5 µm-es osztott rést tartalmaz, amely körülbelül 13-as maximális erősítési tényezőt és 13-as minőségi tényezőt ér el 3,21 THz-es rezonanciák esetén.

Ezzel egyidejűleg a van der Waals-heterostruktúrák további előnyöket is biztosítanak réteges összetételük révén. A plazmonikus bezárás és a rezonáns térerősítés kombinációja lehetővé tette a magasabb rendű harmonikusok generálását. A mérnökök sikeresen létrehoztak egy- és kétrészes osztott gyűrűs rezonátorok (SRR) tömbjeit, amelyek az elektromágneses mezőket meghatározott frekvenciákon koncentrálják.

Felhasznált anyagok: Bi2Se3 és (InxBi1-x)2Se3

Az ezekbe a nanoszerkezetekbe ágyazott elsődleges anyagok a Bi₂Se₃ és az (InxBi1-x)2Se3 vékonyrétegek. A jellemzően 20 nm vastag Bi₂Se₃ aktív anyagként szolgál, amelyet stratégiailag helyeznek el a rezonátorok hasítórésében.

Valójában a vékony (InxBi1-x)2Se3 virtuális szubsztrát kulcsszerepet játszik a szubsztrát-topológiai szigetelő határfelületen kialakuló hibák csökkentésében, ezáltal növelve a töltéshordozók arányát a topológiai felületi állapotokban. Ez az elrendezés javítja az általános minőséget, és lehetővé teszi a második harmonikus generálását – egy olyan jelenséget, amely egyébként tiltott a tiszta Bi₂Se₃ mintákban.

Hogyan fokozzák a nanoszerkezetek a fény-anyag kölcsönhatást?

A nanoszerkezetű rezonátorok alapvetően átalakítják a fény-anyag kölcsönhatásokat számos mechanizmuson keresztül. Elsősorban a térerősítés a felosztott résben körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb, mint az abszorpció egy mintázat nélküli filmben. Ez a növekedés mind a kapacitív csatolásból (a felosztott rés miatt), mind az induktív csatolásból (a gyűrű alakjából adódóan) ered.

Továbbá ezek a struktúrák mind az alap-, mind a harmonikus frekvenciákon rezonáns módusok jelenlétéből adódó előnyöket élveznek. Például az egyrészes gyűrűrezonátor (SSRR) még magasabb harmonikusoknál is rezonáns módusokkal rendelkezik, ami növeli a harmonikus-generálás összhatékonyságát. A nanostruktúrák végső soron elősegítik a frekvenciafelkonverziót a 6,4 THz (páros) és 9,7 THz (páratlan) tartományban.

Áttörés nyitja meg az utat a kompakt terahertzes eszközök és a kvantumtechnológia felé

Ez az úttörő terahertzes hullámgenerálási kutatás túlmutat a laboratóriumi kíváncsiságon, és gyakorlati alkalmazásokat kínál számos iparágban. A terahertzes sugárzás manipulálására való bizonyított képesség példátlan lehetőségeket nyit meg a következő generációs technológiák számára.

Vezeték nélküli kommunikáció és kvantumszámítástechnika lehetőségei

A mérnökök elérték a világ legmagasabb, 160 Gbps-os adatátviteli sebességét a 300 GHz-es sávban, ezzel a terahertzes sugárzást a jövő kommunikációs rendszereinek sarokkövévé téve. Az ortogonális polarizációt alkalmazó multiplex átvitel révén a kísérleti bemutatók 40 gigabit/s adatátviteli sebességet igazoltak. Lenyűgöző módon ez lehetővé teszi egy DVD-nyi adat letöltését körülbelül három másodperc alatt.

A hagyományos alkalmazásokon túl a terahertzes sugárzás maximális biztonságot nyújt a vezeték nélküli kommunikációban, mivel minimális érzékenységet mutat a légköri zavarokkal szemben. A kvantum-számítástechnikában a szilárdtest qubitek átmeneti frekvenciájának GHz-ről THz-re való kiterjesztése magasabb üzemi hőmérsékleteket tesz lehetővé, kiküszöbölve a 100 mK alatti komplex hűtőrendszerek szükségességét.

Az ultragyors optoelektronika és érzékelők következményei

A gyakorlati vonatkozások kiterjednek a THz-es képalkotó rendszerekre, az ultraszéles sávú kommunikációs kapcsolatokra és a robbanóanyagok észlelésére szolgáló hangolható szintetizátorokra. A különböző iparágakban az alkalmazások magukban foglalják a holografikus videótovábbítást, a fotonikus integrált áramköröket és az ipari automatizálást.

Az elektronikai gyártók számára a THz spektroszkópiai megközelítések érintkezésmentes mérési megoldásokat kínálnak, amelyek közvetlenül relevánsak a jövő nagyfrekvenciás elektronikájához. Továbbá a mért elektrooptikai együtthatók elengedhetetlenek a száloptikai adatátviteli alkatrészek és modulátorok fejlesztéséhez hibrid optoelektronikai platformokban.

Hogyan illeszkedik ez a régóta fennálló elméleti előrejelzésekhez

Mindenekelőtt ez a kísérleti eredmény megerősíti a terahertzes viselkedéssel kapcsolatos régóta fennálló elméleti előrejelzéseket. Az eredmények az anyagszimmetria és a fény viselkedése közötti kölcsönhatás egyik első egyértelmű demonstrációját jelentik a terahertzes tartományban, szilárd alapot teremtve kompakt terahertzes források, érzékelők és ultragyors optoelektronikai alkatrészek létrehozásához.

Következtetés

A terahertzes fénygenerálás terén elért kvantumfény-áttörés alapvető változást jelent a fénymanipuláció kvantumszintű megértésében. A tudósoknak sikeresen áttörték a szimmetriahatárt, lehetővé téve ezzel mind a páros, mind a páratlan terahertzes harmonikusok előállítását – ez a képesség lényegében megduplázza az alkalmazások számára rendelkezésre álló frekvenciaspektrumot. Ez az eredmény a fizika egy régóta fennálló kihívására ad választ, ahol a hagyományos centroszimmetrikus anyagok csak páratlan rendű harmonikusokat tudtak előállítani.

A topológiai szigetelők kulcsfontosságú anyagokká váltak ebben az áttörésben. A hagyományos anyagokkal ellentétben ezek egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a szimmetriasértést a felületi szinten. Pontosabban, az olyan anyagok, mint a Bi₂Se₃ és az (InxBi1-x)2Se3, ha stratégiailag integrálódnak a mesterségesen létrehozott nanostruktúrákba, felerősítik a terahertzes hullámok keletkezését a fokozott fény-anyag kölcsönhatásokon keresztül.

A kutatás gyakorlati alkalmazásai messze túlmutatnak az elméleti jelentőségen. A terahertzes technológia ma már készen áll a vezeték nélküli kommunikáció átalakítására, bizonyítottan 160 Gbps adatsebességgel. Ezenkívül a kvantumszámítástechnikai rendszerek magasabb üzemi hőmérsékletből adódó előnyöket is élveznek, így nincs szükség összetett hűtőrendszerekre. Az ultragyors optoelektronika és érzékelők új képességekre tesznek szert ezeknek a fejlesztéseknek köszönhetően, amelyek korábban lehetetlen alkalmazásokat tesznek életképessé számos iparágban.

Talán a legfontosabb, hogy ez a munka igazolja a kvantumfény terahertzes tartományban való viselkedésére vonatkozó elméleti jóslatokat. Most már megvannak az alapok a kompakt terahertzes forrásokhoz, érzékelőkhöz és optoelektronikai alkatrészekhez, amelyek szobahőmérsékleten működnek. Bár továbbra is kihívások merülnek fel ezen technológiák méretezésében, a szimmetria akadálya – amelyet egykor leküzdhetetlennek tartottak – leomlott, ezáltal egy teljesen új technológiai határt nyitva meg. Most a terahertzes technológiai korszak küszöbén állunk, ahol a kvantumhatások a kommunikációs és számítástechnikai rendszerek következő generációját működtetik.