Proefopzet voor het genereren van hogere harmonischen (afb: Miriam Vitielli et al./Nature Light)

Door licht te manipuleren met topologische isolatoren, materialen die geleiden aan de oppervlak en in het materiaal isoleren, zijn onderzoeksters er in geslaagd om zowel even als oneven terahertzfrequenties te genereren via hogere-orde harmonische generatie (HHG). Door deze exotische materialen in nanogestructureerde resonatoren te integreren, konden ze licht op een niet eerder verwezenlijkte manier versterken, waarmee lang getheoretiseerde kwantumeffecten zouden zijn bevestigd. Deze ontdekking opent de deur naar nieuwe terahertztechnologieën met grote gevolgen voor ultrasnelle elektronica, draadloze communicatie en kwantumrekenen, stellen de onderzoeksters.
Hoog-orde harmonische generatie (HHG) is een proces dat licht omzet in veel hogere frequenties, waardoor wetenschappers gebieden van het elektromagnetische spectrum kunnen verkennen die anders moeilijk te bereiken zijn. Het genereren van terahertz (THz)-frequenties met behulp van HHG is echter een groot obstakel gebleven, omdat de meeste materialen te symmetrisch zijn om deze conversie te ondersteunen.
Grafeen is al lange tijd een veelbelovende kandidaat voor HHG-onderzoek, maar door de perfecte symmetrie beperkt het zich tot het produceren van alleen oneven harmonischen – frequenties die oneven veelvouden zijn van die van de oorspronkelijke lichtbron. Zelfs harmonischen, die essentieel zijn voor het uitbreiden van praktische toepassingen van deze technologie, zijn veel moeilijker te bereiken.
In een recent onderzoek heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Miriam Serena Vitiello een goede stap voorwaarts gezet in de optica. Door te werken met exotische kwantummaterialen hebben de onderzoeksters met succes HHG uitgebreid naar nieuwe en voorheen onbereikbare delen van het elektromagnetische spectrum.

Topologische isolatoren

Hun werk richt zich op topologische isolatoren (TI’s), een speciale klasse materialen die zich van binnen gedragen als elektrische isolatoren, maar elektriciteit geleiden langs hun oppervlak. Deze materialen vertonen ongewoon kwantumgedrag dankzij sterke spin-baankoppeling en tijdsomkeringssymmetrie. Hoewel wetenschappers hadden voorspeld dat TI’s geavanceerde vormen van harmonische opwekking zouden kunnen ondersteunen, had nog niemand dit experimenteel aangetoond, tot nu toe.

De onderzoeksters ontwierpen gespecialiseerde nanostructuren, zogenaamde splitsringresonatoren, en integreerden die met dunne lagen Bi₂Se₃ (een verbinding van bismut en seleen) en vanderwaalsheterostructuren gemaakt van (InₓBi₁₋ₓ)₂Se₃ (een verbinding met, naast bismuth en seleen, ook indium). Deze resonatoren versterkten het binnenkomende licht aanzienlijk, waardoor ze HHG konden waarnemen op zowel even als oneven THz-frequenties. Dat schijnt uitzonderlijk te zijn.

Ze registreerden frequentie-omzetting tussen 6,4 THz (even) en 9,7 THz (oneven), waardoor duidelijk werd hoe zowel de symmetrische binnenkant als het asymmetrische oppervlak van de topologische materialen bijdragen aan de lichtgeneratie. Dit resultaat is een van de eerste duidelijke blijken van hoe topologische effecten harmonisch gedrag in het THz-bereik kunnen beïnvloeden.
Deze experimenten zouden niet alleen lang bestaande theoretische voorspellingen bevestigen, maar ook een nieuwe basis leggen voor de ontwikkeling van compacte terahertzlichtbronnen, sensoren en ultrasnelle opto-elektronische componenten. Die biedt onderzoekers een nieuwe manier om de complexe wisselwerking tussen symmetrie, kwantumtoestanden en licht-materie-interacties op nanoschaal te bestuderen.
Nu industrieën steeds kleinere, snellere en efficiëntere apparaten eisen, onderstreept deze ontwikkeling het groeiende potentieel van kwantummaterialen om denkbeeld in de praktijk te verwezenlijken. De ontdekking zou ook compacte, instelbare terahertzlichtbronnen mogelijk maken die worden aangestuurd door optische technieken. Ook snelle communicatie, medische beeldvorming en kwantumrekenen zouden door deze ontwikkeling radicaal kunnen veranderen.

Bron: Science Daily