量子绝缘体超材料推动了太赫兹模式中光子学的发展

太赫兹（THz）光是从发射光谱的远红外区域发出的辐射。尽管它在国土安全筛查、传感和未来第六代移动平台方面的应用中展示了相当大的潜力，但目前尚未在技术上得到完全利用。而这种辐射因其光子能量小而无害，但它可以进入多种材料，如包装、皮肤等。

在过去的研究中，实验重心集中在寻找有效产生太赫兹电磁波的方法和材料上。近期，拓扑绝缘体(TI)被证明实现了更好的性能，这种量子材料在大块中充当绝缘体，同时在表面上显示导电特征。该研究由ICN2纳米级系统超快动力学组的成员进行，Klaas-Jan Tielrooij博士负责指导，实验在德国的TELBE太赫兹设施中进行的。

先前的研究表明，以零有效质量承载电子的材料可以有效地产生太赫兹谐波，包括上述拓扑绝缘体。当具有相同能量和频率的光子与物质发生非线性相互作用时，会发生谐波产生现象，从而导致光子释放，其能量是入射能量的倍数。这可以被操纵，例如，将高GHz范围内的电子产生的信号上变频为THz范围内的信号。Tielrooij博士及其同事探索了两种拓扑绝缘体的性能——原型Bi₂Se₃和Bi₂Te₃——与正在研究的样品进行直接比较。实验结果表明，产生的输出功率比常用样品提高了几个数量级，达到了毫瓦级。这种行为上的巨大差异是因为拓扑绝缘体可以依赖于一种极其有效的冷却机制，在这种机制中，表面上的无质量电荷将它们的电子热驱散到薄膜其余部分的电子热中。

来源：AZO Optics