Terahertz (THz) vågor, beläget mellan millimeter och långt infrarött frekvensområde, är ett elektromagnetiskt frekvensband som ännu inte är fullständigt igenkänt och förstått. Xiaojun Wu vid Beihang University leder en grupp forskare som aktivt söker sätt att förstå, generera, och kontrollera THz -strålning. Wu noterar att THz -vågor har stor potential för att expandera verkliga applikationer - från bildbehandling till informationskryptering - men utvecklingen av THz -vetenskap och teknik har hindrats av brist på tillräckligt effektiva källor.

Wus forskargrupp har undersökt en tredimensionell topologisk isolator av vismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ) som en lovande grund för ett effektivt THz -system. De har nyligen systematiskt undersökt THz -strålning från Bi ₂ Te ₃ nanofilmer som drivs av femtosekundlaserpulser. Deras rapport publicerades i Avancerad fotonik visar effektiv generering av kirala THz -vågor med ett godtyckligt justerbart polarisationstillstånd som möjliggör kontroll av kiralitet, ellipticitet, och huvudaxeln.

Enligt Wu, vismut tellurid är en bra kandidat för framtida topologiska topologiska isolatorbaserade terahertz-system; det har redan uppvisat utmärkta utsikter för THz -utsläpp, upptäckt, och modulering. Den välstuderade topologiska isolatorn uppvisar ett speciellt spinnmoment låst yttillstånd, som också kan justeras exakt av olika faktorer, såsom antalet atomlager. Wu förklarar att denna typ av THz -källa effektivt kan utstråla linjärt och cirkulärt polariserade THz -vågor, med justerbar kiralitet och polarisering. Detta kommer att möjliggöra utveckling av THz-vetenskap och applikationer inom områden som ultrasnabb THz opto-spintronics, polarisationsbaserad THz-spektroskopi och avbildning, THz biosensing, synvinkel THz-kommunikation, och informationskryptering.

Generering och manipulation av linjärt polariserade THz -vågor

Wu's grupp undersökte systematiskt THz -strålningen från topologisk isolator Bi ₂ Te ₃ nanofilmer som drivs av femtosekundlaserpulser. De fann att den linjärt polariserade THz-vågen härrör från skiftströmmen som bildas av den ultrasnabba omfördelningen av elektrontätheten mellan Bi-Te-atomer i Bi ₂ Te ₃ efter att den topologiska isolatorn exciterats av det linjärt polariserade pumpljuset. Den supersnabba skiftströmmen bidrar till den linjärt polariserade THz -strålningen. På grund av gitteregenskaperna hos Bi ₂ Te ₃ , de utstrålade THz-vågorna är alltid linjärt polariserade med en trefaldig rotationsvinkel, beroende på provets azimutala vinkel. Denna tillförlitlighet gör det mycket bekvämt att godtyckligt manipulera THz -vågpolarisationsvinkeln genom att styra infallslasern i polarisationsriktningen.

Generering och manipulation av cirkulärt polariserade THz -vågor

Wu förklarar att för att producera cirkulärt polariserade THz -pulser, det var nödvändigt att samtidigt justera pumplaserpolarisationen och provets azimutala vinkel. När provets azimutala vinkel fixerades, forskarna erhöll också elliptiska THz -strålar med olika ellipticiteter och principaxlar, på grund av kombinationen av en linjär fotogalvanisk effekt (LPGE) och en cirkulär fotogalvanisk effekt (CPGE), som orsakas av den inneboende tidsfördröjningen mellan de LPGE-drivna och CPGE-drivna THz elektriska fältkomponenterna. Inom ramen för deras förväntningar, de kunde manipulera kiraliteten hos de utsända THz -vågorna genom att variera den infallande laserheliciteten.

Wu förklarar, "Helicitetsberoende ström är den kritiska orsaken till att vi kan få spinnpolariserade THz-pulser eftersom vi kontinuerligt kan ställa in storleken och polariteten på den genom att ändra heliciteten." Specifik diskussion om implementering och kontroll av cirkulärt polariserad THz -strålning ingår i deras papper.

Författarna är optimistiska att deras arbete kommer att bidra till ytterligare kollektiv förståelse av femtosekund koherent kontroll av ultrasnabba spinnströmmar i ljus-materia-interaktion och kommer också att ge ett effektivt sätt att generera spinnpolariserade THz-vågor. Wu noterar att manipulationen av polarisering är ett steg mot målet att skräddarsy vridna THz -vågor effektivt vid källan.