Οι ερευνητές έχουν σπάσει το φράγμα συμμετρίας του φωτός χρησιμοποιώντας εξωτικά κβαντικά υλικά. Η τεχνική τους παράγει τόσο άρτιες όσο και περιττές αρμονικές τεραχέρτζ, ξεκλειδώνοντας ένα κρυφό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει σε συμπαγείς συσκευές τεραχέρτζ που τροφοδοτούν ταχύτερες ασύρματες επικοινωνίες και κβαντικές τεχνολογίες.
Σπάζοντας το φράγμα συμμετρίας
Η παραγωγή αρμονικών υψηλής τάξης (HHG) είναι μια ισχυρή τεχνική που μετατρέπει το φως σε πολύ υψηλότερες συχνότητες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που κανονικά είναι απρόσιτες. Ωστόσο, η επέκταση της HHG στην περιοχή των τεραχέρτζ (THz) παρέμεινε μια σημαντική πρόκληση επειδή τα περισσότερα υλικά είναι πολύ συμμετρικά για να υποστηρίξουν αποτελεσματικά αυτή τη διαδικασία.
Το γραφένιο, για παράδειγμα, έχει δείξει δυνατότητες για τη δημιουργία νέων συχνοτήτων φωτός, αλλά η τέλεια συμμετρία του το περιορίζει στην παραγωγή μόνο περιττών αρμονικών - συχνοτήτων που είναι περιττά πολλαπλάσια του αρχικού φωτεινού κύματος. Ακόμη και οι αρμονικές, οι οποίες είναι απαραίτητες για τη δημιουργία ενός πλήρους φάσματος φωτός, παρέμειναν απρόσιτες μέχρι τώρα.
Κβαντικά Υλικά Πρωταγωνιστούν
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής την καθηγήτρια Miriam Serena Vitiello έχει πλέον σημειώσει μια σημαντική πρόοδο στις τεχνολογίες που βασίζονται στο φως, όπως περιγράφεται σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Light: Science & Applications. Αξιοποιώντας τις ασυνήθιστες ιδιότητες εξωτικών κβαντικών υλικών, οι επιστήμονες κατάφεραν να αποκτήσουν πρόσβαση σε προηγουμένως απρόσιτες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η προσέγγισή τους βασίζεται σε τοπολογικούς μονωτήρες (TIs) - υλικά που συμπεριφέρονται σαν μονωτήρες στο εσωτερικό τους αλλά άγουν ηλεκτρισμό κατά μήκος των επιφανειών τους. Αυτά τα υλικά εμφανίζουν αξιοσημείωτα κβαντικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν από την ισχυρή σύζευξη σπιν-τροχιάς και τη συμμετρία αντιστροφής χρόνου. Αν και η θεωρία υποδήλωνε ότι οι TIs θα μπορούσαν να επιτρέψουν σύνθετες μορφές αρμονικής παραγωγής, δεν υπήρχε καμία πειραματική απόδειξη μέχρι αυτή τη νέα έρευνα.
Ενίσχυση Φωτός με Νανοδομές
Η ομάδα δημιούργησε ειδικά σχεδιασμένες νανοδομές γνωστές ως συντονιστές διαιρεμένου δακτυλίου και ενσωμάτωσε λεπτά στρώματα Bi2Se3 καθώς και ετεροδομές van der Waals κατασκευασμένες από (InxBi1-x)2Se3. Αυτοί οι συντονιστές ενίσχυσαν σημαντικά το εισερχόμενο φως, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρατηρήσουν HHG τόσο σε άρτιες όσο και σε περιττές συχνότητες THz - ένα σπάνιο επίτευγμα.
Αυτή η επιτυχία επιβεβαιώνει μακροχρόνιες θεωρητικές προβλέψεις και θέτει τα θεμέλια για τη δημιουργία συμπαγών πηγών terahertz, αισθητήρων και υπερταχέων οπτοηλεκτρονικών συσκευών. Ανοίγει επίσης έναν νέο δρόμο για τη διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ συμμετρίας, κβαντικών καταστάσεων και δυναμικής φωτός-ύλης σε νανοκλίμακα.
Προς Κβαντικές Τεχνολογίες στον Πραγματικό Κόσμο
Καθώς η τεχνολογία προχωρά προς ταχύτερα, μικρότερα και πιο αποτελεσματικά συστήματα, η ικανότητα χειρισμού του φωτός με κβαντικά υλικά αποτελεί βασικό ορόσημο. Αυτό το επίτευγμα φέρνει τους ερευνητές πιο κοντά στην αξιοποίηση της πλήρους ισχύος των κβαντικών υλικών για πρακτική χρήση.
Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε συμπαγείς, οπτικά αντλούμενες πηγές φωτός terahertz που είναι ρυθμιζόμενες σε διάφορες συχνότητες, με τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στην ασύρματη επικοινωνία υψηλής ταχύτητας, την ιατρική απεικόνιση και την κβαντική υπολογιστική.
www.worldenergynews.gr
