Quantendurchbruch in der Optik

Wissenschaftlern ist ein bedeutender Durchbruch in der Optik gelungen. Mithilfe von Quantenmaterialien konnten sie erstmals experimentell die Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) im Terahertz-Bereich (THz) nachweisen, einschließlich gerader Frequenzen. Dies war aufgrund der Symmetrie der meisten Materialien zuvor unmöglich.

Die Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) ermöglicht die Umwandlung von Licht in höhere Frequenzen und eröffnet damit den Zugang zu bisher unzugänglichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Graphen gilt seit Langem als vielversprechender Kandidat, erzeugt aber aufgrund seiner perfekten Symmetrie nur ungerade Harmonische.

In der in Light: Science & Applications veröffentlichten Studie nutzte ein Team unter der Leitung von Prof. Miriam Serena Vitiello topologische Isolatoren (TIs), Materialien, die an der Oberfläche Strom leiten, im Inneren jedoch isolierend wirken. Aufgrund starker Spin-Bahn-Kopplung und Zeitumkehrsymmetrie weisen sie einzigartige Quanteneigenschaften auf.

Die Forscher nutzten Split-Ring-Resonator-Nanostrukturen (SRR) und kombinierten diese mit dünnen Bi₂Se₃-Schichten und (InₓBi₁₋ₓ)₂Se₃-Heterostrukturen. Mithilfe eines 2,5 W THz-Quantenkaskadenlasers erreichten sie eine Lichtverstärkung und beobachteten die Erzeugung hoher Frequenzen (HHG) bei 6,4 THz (gerade Frequenz) und 9,7 THz (ungerade Frequenz).

Die Ergebnisse bestätigen theoretische Vorhersagen und ermöglichen die Entwicklung kompakter Terahertz-Lichtquellen, Sensoren und ultraschneller optoelektronischer Bauelemente. Die Fortschritte verdeutlichen das große Potenzial von Quantenmaterialien für zukünftige Technologien. Besonders hervorzuheben sind dabei die Bereiche Kommunikation, medizinische Bildgebung und natürlich Quantencomputing.