Ett internationellt forskarlag från Tyskland, Italien, och Storbritannien har utvecklat en nyckelfotonikkomponent för terahertz-spektralområdet. Genom att blanda elektroniska resonanser i halvledarnanostrukturer med fotonfältet hos mikroresonatorer, de designade en färgad spegel som blekas lättare än någonsin och som kan göra terahertz-lasrar ultrasnabba. Resultaten publiceras i det aktuella numret av Naturkommunikation .

Terahertz-strålning – ofta kallad T-strålning – markerar en av de sista gränserna inom fotonik. Beläget i spektralgapet mellan mikrovågselektronik och infraröd optik, T-strålar erbjuder enorm applikationspotential, men de har varit dyra att generera. De första allmänt tillgängliga terahertz-applikationerna sträcker sig från kroppsskannrar på flygplatser och snabb gasavkänning till ultrasnabb kommunikation. Många fler idéer skulle kunna komma ut på marknaden om ultrakorta pulser kunde genereras direkt i så kallade kvantkaskadlasrar, speciella typer av elektriskt drivna, kompakta terahertzlasrar. Dessa källor fungerar vanligtvis i kontinuerligt vågläge, men det har allmänt förutspåtts att de kan ändras till pulsad drift om ett nyckelfotonikelement inkorporerades i lasern - en så kallad mättbar absorbator.

En mättad absorbator fungerar som en dimmig spegel som övergående blir klar om det infallande ljuset blir för starkt. Om all kraft inuti en laser koncentreras i en kort puls skulle den lätt mätta absorbatorn och lida mindre förlust än en kontinuerlig vågstråle. Sådana element är lätt tillgängliga i optik, medan de i terahertz-domänen endast har funnits för opraktiskt intensiv strålning, inte uppnås med kvantkaskadlasrar. Ett europeiskt konsortium bildat av Miriam S. Vitiellos forskargrupper, Pisa, Edmund Linfield, Leeds, och Rupert Huber, Universitetet i Regensburg, har nu gått samman för att utveckla en ny klass av mättbara absorbatorer som arbetar med mycket lägre mättnadsintensiteter.

Deras nya idé är inspirerad av en strategi som är välkänd inom musiken:resonatorer. Var får ett Steinway-piano sitt unika ljud ifrån? Hemligheten ligger mindre i strängarna än i den resonerande kroppen. Det är här det exakta ljudet definieras och dess dynamiska svar på en knapptryckning. "Vi överför i huvudsak denna idé till terahertz-optik, säger Jürgen Raab, huvudförfattare till manuskriptet. Miriam Vitiellos grupp designade en mikrostrukturerad sammansättning av en guldspegel och ett guldgitter som tillsammans fungerar som en resonanskropp för terahertzstrålning. Dessa resonanser kan kopplas starkt med elektroner som kan hoppa mellan två kvanttillstånd definierade av en atomärt exakt sekvens av halvledande nanostrukturer, designad och odlad i gruppen av Edmund Linfield.

Pivoten:Den starka kopplingen mellan elektronerna och terahertz-mikrokaviteten resulterar i en excitation som är halvelektron, halv terahertz foton. Denna situation formar inte bara "tonen" i resonansen, men det förändrar också dramatiskt hur systemet reagerar på en "forte-tangenttryckning, " motsvarande en intensiv terahertz-puls. Gruppen satte den nya terahertz Steinway på sitt ultimata test. I en specialdesignad installation i Regensburg, de fokuserade en ultrakort terahertz-puls på den mättbara absorbatorn och utvecklade en extrem slow-motion-kamera för att följa dess mättnadsdynamik på femtosekunds-tidsskalan – miljontedelen av en miljarddels sekund.

Det fantastiska resultatet:absorbatorn var inte bara mycket lättare att mätta än den elektroniska övergången ensam, med ungefär en storleksordning. Den mättas också snabbare än en enda svängningscykel av terahertzpulsen, och "tonen" hos resonatorn morphs så bra under mättnadsprocessen att i huvudsak ingen absorption kvarstår medan den intensiva THz-pulsen appliceras. Dessa är de bästa möjliga generna av mättbara absorbatorer. Miriam Vitiello är övertygad:"Nu har vi alla komponenter till hands för att bygga ultrasnabba terahertz kvantkaskadlasrar med mättningsbara absorbatorer."

En sådan källa skulle dramatiskt kunna utöka omfattningen av terahertz-fotonik. Överträffar frekvensen av moderna datorer med en svindlande faktor på 1000, ultrakorta terahertz-pulser kan utgöra ryggraden i revolutionerande nästa generations telekommunikationslänkar. Kompakta kvantkaskadlasrar, avger ultrakorta T-strålar, kan också möjliggöra förstärkning av kemisk analys och möjliggöra ett enormt utbud av tillämpningar inom diagnostik och medicin. Med nuvarande resultat, en viktig milstolpe mot dessa djärva mål har uppnåtts.