量子材料在太赫兹范围内实现下一代光子学和移动网络

太赫兹光是发射光谱中远红外部分的辐射，目前尚未在技术上得到充分利用，尽管它在传感、国土安全筛查和未来(第六代)移动网络中的许多应用中显示出巨大潜力。

事实上，这种辐射由于其光子能量小而无害，但它可以穿透许多材料(如皮肤、包装等)。在过去十年中，许多研究小组将注意力集中在识别有效产生太赫兹电磁波的技术和材料上：其中有神奇的材料石墨烯，然而，它并没有提供预期的结果。特别是，产生的太赫兹输出功率是有限的。

根据最近发表在Light:Science&Applications上的一篇论文，拓扑绝缘体(TI)已经实现了更好的性能——这种量子材料在体块中表现为绝缘体，同时在表面表现出导电特性。

这项研究由Klaas-JanTielrooij博士领导的ICN2纳米系统超快动力学小组成员和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR，德国)的高场太赫兹驱动现象小组的成员进行，由SergeyKovalev博士领导，与来自曼彻斯特大学(英国)物理与天文学学院的ICREA教授SergioO.Valenzuela领导的ICN2物理和纳米器件工程组的研究人员合作，以及物理学维尔茨堡大学研究所(德国)。这些实验是在德累斯顿的TELBETHz设施中进行的。

早期的研究表明，具有零有效质量电子的材料能够有效地产生太赫兹谐波，包括上述石墨烯和拓扑绝缘体。当具有相同频率和能量的光子与物质发生非线性相互作用时，就会发生谐波产生现象，从而导致发射能量是入射光子能量倍数的光子。例如，这可以用于将高GHz范围内的电子生成信号上变频为THz范围内的信号。

Tielrooij博士及其同事研究了两种拓扑绝缘体(原型Bi2Se3和Bi2Te3)的行为，并与参考石墨烯样品进行了直接比较。

他们观察到，虽然石墨烯中产生的谐波的最大功率受到饱和效应(在高入射功率下出现)的限制，但在这些量子材料中，它随着入射基波功率的增加而继续增加。进行的实验表明，产生的输出功率比石墨烯提高了几个数量级，接近毫瓦级。

这种行为上的显着差异是由于拓扑绝缘体可以依赖高效的冷却机制，其中表面上的无质量电荷将其电子热消散到薄膜其余部分中的电子热。换句话说，体电子通过吸收电子热量来帮助表面态电子。

太赫兹三次谐波的最高输出功率——即具有三倍相同能量的辐射——是在包含拓扑绝缘体薄膜和金属光栅的超材料中实现的——由材料表面上的间隙隔开的金属条组成.

“在这项工作中，我们能够证明石墨烯中发生的饱和效应在拓扑绝缘体中的存在要少得多。这要归功于拓扑绝缘体的表面和体电子之间的一种新的冷却机制，”Klaas-JanTielrooij博士解释说，论文的第一作者。“因此，这些量子超材料使非线性太赫兹光子学技术更近了一步。”

该论文的最后一位作者SergeyKovalev补充说：“获得的结果进一步为研究这些材料的量子特性提供了有趣的可能性，并具有量子技术的前景。”