고차 고조파 생성(HHG)은 빛을 훨씬 더 높은 주파수로 변환하는 프로세스로, 이를 통해 과학자들은 다른 방법으로는 도달하기 어려운 전자기 스펙트럼 영역을 탐색할 수 있습니다. 그러나 HHG를 사용하여 테라헤르츠(THz) 주파수를 생성하는 것은 대부분의 재료가 이러한 변환을 지원하기에는 너무 대칭적이기 때문에 여전히 큰 장애물로 남아 있습니다.
그래핀은 오랫동안 HHG 연구의 유망한 후보였지만 완벽한 대칭으로 인해 원래 광원의 홀수 배수인 주파수인 홀수 고조파만 생성할 수 있었습니다. 이 기술의 실용화에 필수적인 고조파조차 달성하기가 훨씬 어려웠습니다.
양자 재료가 장벽을 허물다
최근에 발표된 연구에서는 빛: 과학 및 응용Miriam Serena Vitiello 교수가 이끄는 연구 그룹은 광학 과학 분야에서 큰 발전을 이루었습니다. 연구팀은 이국적인 양자 물질을 사용하여 HHG를 전자기 스펙트럼의 새롭고 이전에는 도달할 수 없었던 부분으로 성공적으로 확장했습니다.
그들의 연구는 내부에서 전기 절연체 역할을 하지만 표면을 따라 전기를 전도하는 특별한 종류의 재료인 위상 절연체(TI)에 중점을 두고 있습니다. 이러한 물질은 강한 스핀-궤도 결합 및 시간 반전 대칭으로 인해 특이한 양자 거동을 나타냅니다. 과학자들은 TI가 고급 형태의 고조파 생성을 지원할 수 있다고 예측했지만 아직까지 이를 실험적으로 입증한 사람은 없었습니다.
양자 나노구조로 빛 증폭
연구진은 분할 링 공진기라고 불리는 특수 나노 구조를 설계하고 이를 Bi2Se₃의 얇은 층과 (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃로 만든 반 데르 발스 이종 구조와 통합했습니다. 이 공진기는 들어오는 빛을 크게 강화하여 팀이 짝수 THz 주파수와 홀수 THz 주파수 모두에서 HHG를 관찰할 수 있게 해 주었는데, 이는 탁월한 성과입니다.
그들은 6.4THz(짝수)와 9.7THz(홀수) 사이의 주파수 상향 변환을 기록하여 토폴로지 재료의 대칭 내부와 비대칭 표면이 빛 생성에 어떻게 기여하는지 밝혀냈습니다. 이 결과는 토폴로지 효과가 THz 범위에서 고조파 동작을 어떻게 형성할 수 있는지에 대한 최초의 명확한 시연 중 하나를 나타냅니다.
차세대 테라헤르츠 기술을 향하여
이 실험적 성과는 오랜 이론적 예측을 검증할 뿐만 아니라 소형 테라헤르츠 광원, 센서 및 초고속 광전자 부품 개발을 위한 새로운 기반을 구축합니다. 이는 연구원들에게 나노 규모에서 대칭, 양자 상태 및 가벼운 물질 상호 작용 간의 복잡한 상호 작용을 연구하는 새로운 방법을 제공합니다.
업계가 계속해서 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적인 장치를 요구함에 따라 이러한 발전은 실제 혁신을 주도할 양자 재료의 잠재력이 커지고 있음을 강조합니다. 이번 발견은 또한 광학적 방법으로 구동되는 작고 조정 가능한 테라헤르츠 광원의 생성을 가리키며, 이는 고속 통신, 의료 영상 및 양자 컴퓨팅 분야의 기술을 재편할 수 있는 발전입니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251102011155.htm
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