Các nhà khoa học khám phá khía cạnh tiềm ẩn của ánh sáng có thể thay đổi công nghệ
Bởi Trung tâm Xuất bản Ánh sáng, Viện Quang học Trường Xuân, ngày 6 tháng 11 năm 2025
Kịch bản minh họa về HHG ở tần số Terahertz, được tạo ra bằng cách bơm một QCL THz công suất 2,5 W lên một chất cách điện tôpô SRR. Nguồn: Alessandra Di Gaspare và cộng sự.
Các nhà nghiên cứu đã phá vỡ rào cản đối xứng của ánh sáng bằng cách sử dụng các vật liệu lượng tử kỳ lạ. Kỹ thuật của họ tạo ra cả sóng hài terahertz chẵn và lẻ, mở ra một phần tiềm ẩn của phổ điện từ.
Bước đột phá này có thể dẫn đến các thiết bị terahertz nhỏ gọn, cung cấp năng lượng cho truyền thông không dây nhanh hơn và các công nghệ lượng tử.
Phá vỡ rào cản đối xứng
Tạo sóng hài bậc cao (HHG) là một kỹ thuật mạnh mẽ giúp biến đổi ánh sáng thành các tần số cao hơn nhiều, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các vùng phổ điện từ mà thông thường không thể tiếp cận được. Tuy nhiên, việc mở rộng HHG lên dải terahertz (THz) vẫn là một thách thức lớn vì hầu hết các vật liệu đều quá đối xứng để hỗ trợ quá trình này một cách hiệu quả.
Ví dụ, graphene đã cho thấy tiềm năng tạo ra các tần số ánh sáng mới, nhưng tính đối xứng hoàn hảo của nó hạn chế nó chỉ tạo ra các sóng hài lẻ - các tần số là bội số lẻ của sóng ánh sáng ban đầu. Các sóng hài chẵn, vốn rất cần thiết để tạo ra một quang phổ ánh sáng hoàn chỉnh, cho đến nay vẫn nằm ngoài tầm với.
Vật liệu lượng tử dẫn đầu
Một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Miriam Serena Vitiello dẫn đầu hiện đã đạt được một bước tiến lớn trong công nghệ dựa trên ánh sáng, như được mô tả trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications. Bằng cách khai thác các đặc tính khác thường của vật liệu lượng tử kỳ lạ, các nhà khoa học đã thành công trong việc tiếp cận các vùng trước đây không thể tiếp cận của quang phổ điện từ.
Phương pháp của họ dựa trên các chất cách điện tôpô (TI) - các vật liệu hoạt động như chất cách điện bên trong nhưng dẫn điện dọc theo bề mặt của chúng. Những vật liệu này thể hiện các đặc tính lượng tử đáng chú ý do sự kết hợp spin-quỹ đạo mạnh và tính đối xứng đảo ngược thời gian. Mặc dù lý thuyết cho rằng TI có thể cho phép tạo ra các dạng sóng hài phức tạp, nhưng chưa có bằng chứng thực nghiệm nào cho đến nghiên cứu mới này.
Khuếch đại Ánh sáng bằng Cấu trúc Nano
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc nano được thiết kế đặc biệt, được gọi là bộ cộng hưởng vòng phân tách, và kết hợp các lớp mỏng Bi2Se3 cũng như các cấu trúc dị thể van der Waals được tạo ra từ (InxBi1-x)2Se3. Các bộ cộng hưởng này đã tăng cường đáng kể ánh sáng tới, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát HHG ở cả tần số THz chẵn và lẻ - một thành tựu hiếm có.
Sự chuyển đổi tần số tăng lên xảy ra trong khoảng từ 6,4 THz (chẵn) đến 9,7 THz (lẻ), cho thấy cả khối đối xứng và bề mặt bất đối xứng của vật liệu tôpô đều góp phần tạo ra ánh sáng. Phát hiện này là một trong những minh chứng rõ ràng đầu tiên về sự tương tác giữa tính đối xứng của vật liệu và hành vi ánh sáng trong phạm vi terahertz.
Thành công này xác nhận các dự đoán lý thuyết từ lâu và thiết lập nền tảng cho việc tạo ra các nguồn terahertz nhỏ gọn, cảm biến và thiết bị quang điện tử siêu nhanh. Nó cũng mở ra một hướng đi mới để nghiên cứu sự tương tác giữa tính đối xứng, trạng thái lượng tử và động lực học ánh sáng-vật chất ở cấp độ nano.
Hướng tới Công nghệ Lượng tử Thực tế
Khi công nghệ tiến bộ theo hướng hệ thống nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn, khả năng điều khiển ánh sáng bằng vật liệu lượng tử là một cột mốc quan trọng. Thành tựu này đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến việc khai thác toàn bộ sức mạnh của vật liệu lượng tử cho ứng dụng thực tế.
Kết quả này có thể dẫn đến các nguồn sáng terahertz nhỏ gọn, được bơm quang học, có thể điều chỉnh trên nhiều tần số, với tiềm năng cách mạng hóa truyền thông không dây tốc độ cao, hình ảnh y tế và điện toán lượng tử.
Tài liệu tham khảo: “Thế hệ sóng hài bậc hai và bậc ba trong siêu vật liệu van der Waals dựa trên chất cách điện tôpô” của Alessandra Di Gaspare, Sara Ghayeb Zamharir, Craig Knox, Ahmet Yagmur, Satoshi Sasaki, Mohammed Salih, Lianhe Li, Edmund H. Linfield, Joshua Freeman và Miriam S. Vitiello, ngày 22 tháng 9 năm 2025, Ánh sáng: Khoa học & Ứng dụng.
DOI: 10.1038/s41377-025-01847-5
