На данный момент обычно используются релятивистские электронные пучки, ускоряемые в магнитных полях. Однако такой метод неэффективен и требует значительных затрат. К тому же, он не обеспечивает создание широкополосного и когерентного терагерцового излучения, необходимого для многих приложений.
На этом фоне новое исследование, опубликованное в Advanced Photonics, представляет нерелятивистский и немагнитный подход, который напрямую использует световые токи заряда высокой плотности на интерфейсах.
Китайские ученые нашли новый способ генерации терагерцового излучения, который не требует ни релятивистских электронных пучков, ни магнитных полей. Они использовали заряженные токи высокой плотности, активируемые светом. Такие токи возникали в тонкой металлической пленке и отражались от однокристаллической пленки проводящего оксида рутила. Рутил — минерал, обладающий различной проводимостью в разных направлениях. Благодаря этому свойству, заряженные токи меняли свое направление и создавали эффективное и широкополосное терагерцовое излучение.
Исследование было проведено научным коллективом из нескольких исследовательских учреждений Китая, включая Государственную ключевую лабораторию физики поверхности и Департамент физики и Ключевую лабораторию микро- и нанофотонных структур (МОЭ) в Фуданьском университете, Шанхайский исследовательский центр квантовых наук и Центр перспективных квантовых исследований и факультет физики Пекинского педагогического университета.
Такой подход позволяет генерировать терагерцовое излучение с высокой интенсивностью и широким спектром. К тому же, его можно реализовать в компактных и интегрированных устройствах на основе наноструктур, что открывает новые перспективы для развития терагерцовой электроники и фотоники.
Для объяснения своего подхода ученые использовали различные металлы для тонкой пленки, активируемой светом. Они обнаружили, что платина (Pt) является наиболее подходящим материалом для этой цели. С помощью гетероструктур Pt/RuO2 и Pt/IrO2 они измерили амплитуды терагерцового излучения, генерируемого этими системами. Оказалось, что система на основе IrO2 производит сигналы в три раза сильнее, чем система на основе RuO2. Такие сигналы сопоставимы с теми, которые генерируются коммерческими источниками терагерцового излучения на основе нелинейных оптических кристаллов и фотопроводящих переключателей.
Нерелятивистский механизм формирования терагерцовых импульсов с использованием электрически анизотропной гетероструктуры на основе проводника (a), эллипсоида тензора проводимости анизотропных проводников RuO и IrO (b) и характеристики генерируемого импульса (c и d)
Участники исследовательской группы провели теоретический анализ своего подхода, используя модель электрической анизотропии оксидов рутила. Они показали, что заряженные токи высокой плотности, возникающие в металлической пленке под действием света, имеют продольную компоненту, параллельную плоскости пленки, плюс поперечную компоненту, перпендикулярную плоскости. Когда однокристаллическая пленка оксида рутила накладывается на металлическую пленку, продольная компонента заряженных токов отражается и превращается в поперечную. В результате возникает терагерцовое излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости гетероструктуры.
Ученые исследовали влияние различных факторов на генерацию терагерцового излучения, таких как поляризация света, угол падения света, толщина металлической пленки и тип оксида рутила. Они обнаружили, что для достижения максимальной амплитуды терагерцового излучения необходимо использовать свет с линейной поляризацией, параллельной краю металлической пленки, и угол падения света около 45 градусов. Они также определили оптимальную толщину металлической пленки в зависимости от типа оксида рутила: для Pt/RuO2 она составляет 10 нанометров, а для Pt/IrO2 — 20 нанометров.
Исследователи отметили, что их подход имеет большой потенциал для дальнейшего развития и совершенствования. Они предположили, что можно использовать другие материалы с большей электрической анизотропией для повышения эффективности и ширины спектра терагерцового излучения. Они также сказали, что их метод можно расширить на другие частотные диапазоны электромагнитного спектра, такие как инфракрасный и видимый свет.
Использование проводящих материалов с высокой анизотропной электропроводностью открывает новые возможности для повышения эффективности преобразования. Это особенно важно, поскольку такие материалы широко доступны и предлагают большую гибкость и масштабируемость, в отличие от существующих методов, которые ограничены проблемами увеличения угла Холла для тяжелых металлов.
Однако последствия данной технологии выходят за рамки эффективной генерации терагерцовых волн. Ее применение может способствовать сбору энергии, разработке сверхбыстрой электроники и терагерцовой спектроскопии путем использования потенциала заряженных токов высокой плотности на металлических границах разделов. Это открывает перспективы для прогресса в различных современных технологиях, включая солнечные батареи, искусственную фотосинтез и высокоэффективные оптоэлектронные устройства. Новые возможности, предоставленные этой технологией, будут иметь важные последствия для развития будущих технологий и подтверждают ее потенциал.
