Ondas de terahercios (THz), situado entre los rangos de frecuencia milimétrica e infrarroja lejana, son una banda de frecuencia electromagnética que aún no se reconoce y se comprende por completo. Xiaojun Wu, de la Universidad de Beihang, lidera un grupo de investigadores que buscan activamente formas de comprender, generar, y controlar la radiación de THz. Wu señala que las ondas de THz tienen un gran potencial para expandir las aplicaciones reales, desde la creación de imágenes hasta el cifrado de información, pero el desarrollo de la ciencia y la tecnología de THz se ha visto obstaculizado por la falta de fuentes suficientemente eficientes.

El grupo de investigación de Wu ha estado investigando un aislante topológico tridimensional de telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ) como una base prometedora para un sistema THz eficaz. Recientemente investigaron sistemáticamente la radiación THz de Bi ₂ Te ₃ nanofilms impulsados ​​por pulsos de láser de femtosegundos. Su informe publicado en Fotónica avanzada demuestra una generación eficiente de ondas quirales THz con un estado de polarización ajustable arbitrariamente que permite el control de la quiralidad, elipticidad y eje principal.

Según Wu, el telururo de bismuto es un gran candidato para futuros sistemas de terahercios basados ​​en aisladores topológicos en chip; ya ha mostrado excelentes perspectivas en emisiones de THz, detección, y modulación. El aislante topológico bien estudiado presenta un estado de superficie bloqueado de espín-momento especial, que también se puede ajustar con precisión por varios factores, como el número de capas atómicas. Wu explica que este tipo de fuente de THz puede irradiar de manera eficiente ondas THz polarizadas lineal y circularmente, con quiralidad y polarización ajustables. Esto permitirá el desarrollo de la ciencia y las aplicaciones de THz en áreas tales como opto-espintrónica ultrarrápida de THz, espectroscopia e imágenes de THz basadas en polarización, Biosensores de THz, comunicaciones THz con línea de visión, y cifrado de información.

Generación y manipulación de ondas THz linealmente polarizadas

El grupo de Wu investigó sistemáticamente la radiación THz del aislante topológico Bi ₂ Te ₃ nanofilms impulsados ​​por pulsos de láser de femtosegundos. Descubrieron que la onda THz linealmente polarizada se origina en la corriente de desplazamiento formada por la redistribución ultrarrápida de la densidad de electrones entre los átomos de Bi-Te en Bi ₂ Te ₃ después de que el aislante topológico sea excitado por la luz de la bomba polarizada linealmente. La corriente de desplazamiento ultrarrápida contribuye a la radiación THz linealmente polarizada. Debido a las características de celosía de Bi ₂ Te ₃ , las ondas THz radiadas siempre están polarizadas linealmente con un ángulo de rotación triple, dependiendo del ángulo azimutal de la muestra. Esta confiabilidad hace que sea muy conveniente manipular arbitrariamente el ángulo de polarización de la onda THz controlando el láser incidente en la dirección de polarización.

Generación y manipulación de ondas THz polarizadas circularmente

Wu explica que, para producir pulsos de THz polarizados circularmente, era necesario sintonizar simultáneamente la polarización del láser de la bomba y el ángulo azimutal de la muestra. Cuando se fijó el ángulo azimutal de la muestra, Los investigadores también obtuvieron haces THz elípticos con varias elipticidades y ejes principales, debido a la combinación de un efecto fotogalvánico lineal (LPGE) y un efecto fotogalvánico circular (CPGE), que es causado por el retardo de tiempo intrínseco entre los componentes del campo eléctrico THz impulsados ​​por LPGE y CPGE. Dentro del alcance de sus expectativas, pudieron manipular la quiralidad de las ondas THz emitidas variando la helicidad del láser incidente.

Wu explica, "La corriente dependiente de la helicidad es la razón fundamental por la que podemos obtener pulsos de THz con polarización de espín porque podemos sintonizar continuamente su magnitud y polaridad cambiando la helicidad". En su artículo se incluye una discusión específica sobre la implementación y el control de la radiación de THz polarizada circularmente.

Los autores son optimistas de que su trabajo ayudará a una mayor comprensión colectiva del control coherente de femtosegundos de las corrientes de espín ultrarrápidas en la interacción luz-materia y también proporcionará una forma eficaz de generar ondas THz de espín polarizado. Wu señala que la manipulación de la polarización es un paso hacia el objetivo de adaptar las ondas THz retorcidas de manera eficiente en la fuente.