Terahertz (THz) golven, gelegen tussen het millimeter- en ver-infraroodfrequentiebereik, zijn een elektromagnetische frequentieband die tot nu toe onvolledig wordt herkend en begrepen. Xiaojun Wu van Beihang University leidt een groep onderzoekers die actief op zoek zijn naar manieren om te begrijpen, genereren, en controle THz-straling. Wu merkt op dat THz-golven een groot potentieel hebben voor het uitbreiden van echte toepassingen - van beeldvorming tot informatieversleuteling - maar de ontwikkeling van THz-wetenschap en -technologie is gehinderd door een gebrek aan voldoende efficiënte bronnen.

De onderzoeksgroep van Wu heeft onderzoek gedaan naar een driedimensionale topologische isolator van bismuttelluride (Bi ₂ Te ₃ ) als een veelbelovende basis voor een effectief THz-systeem. Ze onderzochten onlangs systematisch THz-straling van Bi ₂ Te ₃ nanofilms aangedreven door femtoseconde laserpulsen. Hun rapport gepubliceerd in Geavanceerde fotonica demonstreert efficiënte generatie van chirale THz-golven met een willekeurig instelbare polarisatietoestand die controle over chiraliteit mogelijk maakt, ellipticiteit, en hoofdas.

Volgens Wu, bismuttelluride is een geweldige kandidaat voor toekomstige on-chip topologische op isolator gebaseerde terahertz-systemen; het heeft al uitstekende vooruitzichten getoond op het gebied van THz-emissie, detectie, en modulatie. De goed bestudeerde topologische isolator presenteert een speciale spin-momentum vergrendelde oppervlaktetoestand, die ook nauwkeurig kan worden aangepast door verschillende factoren, zoals het aantal atomaire lagen. Wu legt uit dat dit soort THz-bronnen efficiënt lineair en circulair gepolariseerde THz-golven kunnen uitstralen. met instelbare chiraliteit en polarisatie. Dit zal de ontwikkeling mogelijk maken van THz-wetenschap en toepassingen op gebieden als ultrasnelle THz opto-spintronica, op polarisatie gebaseerde THz-spectroscopie en beeldvorming, THz-biosensing, zichtlijn THz communicatie, en informatieversleuteling.

Generatie en manipulatie van lineair gepolariseerde THz-golven

De groep van Wu onderzocht systematisch de THz-straling van de topologische isolator Bi ₂ Te ₃ nanofilms aangedreven door femtoseconde laserpulsen. Ze ontdekten dat de lineair gepolariseerde THz-golf afkomstig is van de schuifstroom die wordt gevormd door de ultrasnelle herverdeling van de elektronendichtheid tussen Bi-Te-atomen in Bi ₂ Te ₃ nadat de topologische isolator wordt geëxciteerd door het lineair gepolariseerde pomplicht. De ultrasnelle schuifstroom draagt ​​bij aan de lineair gepolariseerde THz-straling. Vanwege de roosterkenmerken van Bi ₂ Te ₃ , de uitgestraalde THz-golven zijn altijd lineair gepolariseerd met een drievoudige rotatiehoek, afhankelijk van de azimuthoek van het monster. Deze betrouwbaarheid maakt het erg handig om de THz-golfpolarisatiehoek willekeurig te manipuleren door de invallende laser in de polarisatierichting te sturen.

Genereren en manipuleren van circulair gepolariseerde THz-golven

Wu legt uit dat om circulair gepolariseerde THz-pulsen te produceren, het was nodig om tegelijkertijd de polarisatie van de pomplaser en de azimuthoek van het monster af te stemmen. Toen de azimuthoek van het monster was vastgesteld, de onderzoekers verkregen ook elliptische THz-stralen met verschillende ellipticiteiten en hoofdassen, door de combinatie van een lineair fotogalvanisch effect (LPGE) en een circulair fotogalvanisch effect (CPGE), die wordt veroorzaakt door de intrinsieke tijdvertraging tussen de LPGE-aangedreven en CPGE-aangedreven THz elektrische veldcomponenten. In het kader van hun verwachtingen, ze waren in staat om de chiraliteit van de uitgezonden THz-golven te manipuleren door de heliciteit van de invallende laser te variëren.

Wu legt uit, "Heliciteitsafhankelijke stroom is de kritieke reden waarom we spin-gepolariseerde THz-pulsen kunnen verkrijgen, omdat we de grootte en polariteit ervan continu kunnen afstemmen door de heliciteit te veranderen." Specifieke bespreking van de implementatie en controle van circulair gepolariseerde THz-straling is opgenomen in hun paper.

De auteurs zijn optimistisch dat hun werk het collectieve begrip van femtoseconde coherente controle van ultrasnelle spinstromen in licht-materie-interactie verder zal helpen begrijpen en ook een effectieve manier zal bieden om spin-gepolariseerde THz-golven te genereren. Wu merkt op dat de manipulatie van polarisatie een stap is in de richting van het doel om gedraaide THz-golven efficiënt bij de bron af te stemmen.