Kvanttimateriaalit ja terahertsit

Äskettäin julkaistu tutkimuspaperi osoittaa, että topologisen eristeperheen kvanttimateriaalit voivat tehokkaasti ylösmuuntaa sähkömagneettista säteilyä terahertsien tasolla.

Tutkimustyön suoritti Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) -ryhmän johtajan tohtori Klaas-Jan Tielrooijin koordinoima tutkijaryhmä.

Terahertsisäteilyä ei tällä hetkellä hyödynnetä laajalti tekniikassa, vaikka se tarjoaa suuren potentiaalin moniin sovelluksiin kuten kuudennen sukupolven matkapuhelinverkoissa. Tämä säteily on myös vaaratonta pienen fotonienergiansa vuoksi, mutta se voi tunkeutua moniin materiaaleihin, joten soveltuu moniin tarkastussovelluksiin.

Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että materiaalit, joiden elektronien tehollinen massa on nolla, mahdollistavat tehokkaan terahertsiharmonisten muodostamisen kuten esimerkiksi grafeeni ja topologiset eristeet.

Harmonisen syntymisen ilmiö tapahtuu, kun saman taajuiset ja -energiset fotonit ovat epälineaarisessa vuorovaikutuksessa aineen kanssa, mikä johtaa fotonien emissioon, joiden energia on moninkertainen tuloon nähden. Tätä voidaan hyödyntää esimerkiksi korkean GHz-järjestelmän elektronisesti generoitujen signaalien muuntamiseksi THz-järjestelmän signaaleiksi.

Tohtori Tielrooij ja kollegat tutkivat kahden topologisen eristeen – prototyyppisen Bi2Se3:n ja Bi2Te3:n – käyttäytymistä ja vertailivat sitä suoraan grafeeninäytteeseen.

Havaittiin, että kun grafeenissa syntyvien harmonisten maksimitehoa rajoittavat kyllästymisvaikutukset, joita alkoi syntyä suurilla tulotehoilla, niin tutkituissa kvanttimateriaaleissa se jatkoi kasvuaan tulotehon mukana.

Suoritetut kokeet paljastivat siten tuotetun lähtötehon parantumisen suuruusluokilla grafeeniin verrattuna ja lähestyi milliwattien tasoa.

Tämä merkittävä ero käyttäytymisessä johtuu siitä, että topologiset eristeet voivat luottaa erittäin tehokkaaseen jäähdytysmekanismiin, jossa pinnalla olevat massattomat varaukset haihduttavat elektronisen lämpönsä muuhun osaan ohutkalvoa. Toisin sanoen bulkkielektronit ottavat vastaan pintatilaelektronien lämpöä.

Suurin lähtöteho terahertsien kolmannelle harmoniselle saavutettiin metamateriaalissa, joka koostui topologisesta eristekalvosta ja metalliritilästä.

Tutkijoiden mukaan nämä kvanttimetamateriaalit tuovat epälineaarisen terahertsisen fotoniikkateknologian suuren potentiaalin lähemmäksi. Lisäksi tulokset tarjoavat mielenkiintoisia mahdollisuuksia tutkia näiden materiaalien kvanttiominaisuuksia kvanttiteknologioihin liittyen.

Aiheesta aiemmin:

Liikkuvan yhteyden löytäminen terahertseillä