Ученые совершили прорыв в управлении квантовым светом

Физики впервые заставили экзотические квантовые материалы генерировать свет в ранее недоступном терагерцовом диапазоне, и это открытие может стать основой для создания сверхбыстрых устройств будущего.

Светлана ЛевченкоАвтор новостей

Генерация высоких гармоник — это процесс, при котором свет преобразуется в излучение с гораздо более высокими частотами, подобно тому, как музыкальная струна производит обертоны. Этот эффект позволяет ученым исследовать области электромагнитного спектра, которые иначе труднодоступны. Однако получение терагерцовых частот до сих пор оставалось серьезной проблемой — большинство материалов слишком симметричны для такого преобразования.

Долгое время ученые возлагали надежды на графен — чудо-материал толщиной в один атом. Но его идеальная симметрия позволяет генерировать только нечетные гармоники — частоты, кратные нечетным числам от исходного света. Четные гармоники, критически важные для практического применения, получить из графена было практически невозможно.

Команда под руководством профессора Мириам Серены Витиелло нашла элегантное решение, обратившись к топологическим изоляторам — удивительным материалам, которые ведут себя как изоляторы внутри, но при этом проводят электричество по своей поверхности. Эти материалы демонстрируют необычное квантовое поведение благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию — явлению, при котором вращение электронов влияет на их движение.

Физики создали специальные наноструктуры — резонаторы с разрезными кольцами, работающие как микроскопические антенны для усиления света. Они интегрировали их с тонкими слоями селенида висмута (Bi₂Se₃) и других сложных соединений. Резонаторы многократно усиливали входящий свет, позволяя наблюдать генерацию гармоник как на четных (6,4 ТГц), так и на нечетных (9,7 ТГц) терагерцовых частотах — достижение, которое раньше считалось невозможным.

Таким образом, разработчики технологии наглядно показали, что симметричная внутренняя часть и асимметричная поверхность топологических материалов совместно участвуют в генерации света. Это одно из первых четких доказательств того, как топологические эффекты формируют поведение света в терагерцовом диапазоне.

Практическое значение открытия трудно переоценить. Терагерцовое излучение проникает через многие материалы, непрозрачные для видимого света, но не ионизирует ткани, что делает его идеальным для медицинской визуализации и безопасных систем досмотра. Новая технология может привести к созданию компактных терагерцовых источников света и сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов, необходимых для следующего поколения устройств связи и квантовых компьютеров.

Ранее ученые обнаружили скрытый квантовый трюк в двумерных материалах.

Поделиться