Afstembar THz-stråling fra 3-D topologisk isolator

Terahertz (THz) bølger, placeret mellem millimeter- og fjerninfrarøde frekvensområder, er et elektromagnetisk frekvensbånd, der endnu er ufuldstændigt genkendt og forstået. Xiaojun Wu fra Beihang University leder en gruppe forskere, der aktivt søger måder at forstå, frembringe, og styre THz-stråling. Wu bemærker, at THz-bølger har et stort potentiale for at udvide reelle applikationer - fra billedbehandling til informationskryptering - men udviklingen af ​​THz-videnskab og -teknologi er blevet hindret af mangel på tilstrækkeligt effektive kilder.

Wus forskningsgruppe har undersøgt en tredimensionel topologisk isolator af bismuthtellurid (Bi) ₂ Te ₃ ) som et lovende grundlag for et effektivt THz-system. De undersøgte for nylig systematisk THz-stråling fra Bi ₂ Te ₃ nanofilm drevet af femtosekund laserimpulser. Deres rapport offentliggjort i Avanceret fotonik demonstrerer effektiv generering af chirale THz-bølger med en vilkårligt justerbar polarisationstilstand, der tillader kontrol af chiralitet, elliptisk, og hovedakse.

Ifølge Wu, vismuttellurid er en god kandidat til fremtidige on-chip topologiske isolator-baserede terahertz-systemer; den har allerede udvist fremragende udsigter for THz-emission, opdagelse, og modulering. Den velundersøgte topologiske isolator præsenterer en speciel spin-momentum låst overfladetilstand, som også kan justeres nøjagtigt af forskellige faktorer såsom antallet af atomlag. Wu forklarer, at denne form for THz-kilde effektivt kan udstråle lineært og cirkulært polariserede THz-bølger, med justerbar chiralitet og polarisering. Dette vil muliggøre udviklingen af ​​THz videnskab og applikationer inden for områder som ultrahurtig THz opto-spintronics, polarisationsbaseret THz-spektroskopi og billeddannelse, THz biosensing, line-of-sight THz kommunikation, og informationskryptering.

Generering og manipulation af lineært polariserede THz-bølger

Wus gruppe undersøgte systematisk THz-strålingen fra topologisk isolator Bi ₂ Te ₃ nanofilm drevet af femtosekund laserimpulser. De fandt ud af, at den lineært polariserede THz-bølge stammer fra skiftstrømmen dannet af den ultrahurtige omfordeling af elektrontætheden mellem Bi-Te-atomer i Bi ₂ Te ₃ efter at den topologiske isolator er exciteret af det lineært polariserede pumpelys. Den ultrahurtige skiftstrøm bidrager til den lineært polariserede THz-stråling. På grund af gitteregenskaberne for Bi ₂ Te ₃ , de udstrålede THz-bølger er altid lineært polariseret med en tredobbelt rotationsvinkel, afhængig af prøvens azimutvinkel. Denne pålidelighed gør det meget bekvemt at arbitrært manipulere THz-bølgepolarisationsvinklen ved at styre den indfaldende laser i polarisationsretningen.

Generering og manipulation af cirkulært polariserede THz-bølger

Wu forklarer, at for at producere cirkulært polariserede THz-impulser, det var nødvendigt at justere pumpens laserpolarisering og prøvens azimutvinkel samtidigt. Når prøvens azimutvinkel var fastsat, forskerne opnåede også elliptiske THz-stråler med forskellige ellipticiteter og principakser, på grund af kombinationen af ​​en lineær fotogalvanisk effekt (LPGE) og en cirkulær fotogalvanisk effekt (CPGE), som er forårsaget af den iboende tidsforsinkelse mellem de LPGE-drevne og CPGE-drevne THz elektriske feltkomponenter. Inden for rammerne af deres forventninger, de var i stand til at manipulere chiraliteten af ​​de udsendte THz-bølger ved at variere den indfaldende laserhelicitet.

Wu forklarer, "Helicitetsafhængig strøm er den kritiske grund til, at vi kan opnå spin-polariserede THz-impulser, fordi vi kontinuerligt kan tune størrelsen og polariteten af ​​den ved at ændre heliciteten." Specifik diskussion af implementering og kontrol af cirkulært polariseret THz-stråling er inkluderet i deres papir.

Forfatterne er optimistiske over, at deres arbejde vil hjælpe med yderligere kollektiv forståelse af femtosekunds kohærent kontrol af ultrahurtige spinstrømme i lys-stof-interaktion og vil også give en effektiv måde at generere spin-polariserede THz-bølger på. Wu bemærker, at manipulation af polarisering er et skridt mod målet om at skræddersy snoede THz-bølger effektivt ved kilden.