مکانیزم غیر نسبیتی و غیر مغناطیسی برای تولید امواج تراهرتز

مطالعه اخیر منتشر شده در Advanced Photonics یک رویکرد غیرنسبیتی و غیر مغناطیسی را برای تولید امواج تراهرتز معرفی می کند. امواج تراهرتز، که منطقه ای از طیف الکترومغناطیسی را بین فرکانس های مادون قرمز و مایکروویو اشغال می کنند، پتانسیل زیادی برای الکترونیک فوق سریع و منابع تراهرتز منسجم دارند. روش‌های مرسوم برای تولید امواج تراهرتز بر مکانیسم‌های نسبیتی تکیه دارند که به میدان‌های مغناطیسی خارجی نیاز دارند و از پایین بودن  نرخ‌های قطبش اسپین  و راندمان تبدیل (conversion efficiencies) رنج می‌برند.

محققان دانشگاه فودان، مرکز تحقیقات شانگهای برای علوم کوانتومی و دانشگاه Beijing Normal در چین رویکرد جدیدی را پیشنهاد کردند که مستقیماً از جریان‌های بار با چگالی بالا ایجاد شده توسط نور در سراسر رابط‌ها بهره‌برداری می‌کند. آنها از ناهمسانگردی الکتریکی دو اکسید روتیل رسانا (conductive rutile oxides)، RuO2 و IrO2 برای منحرف کردن جریان های بار از جهت طولی به عرضی استفاده کردند. این فرآیند منجر به تشعشعات تراهرتز کارآمد با پهنای باند مناسب شد.

این تیم سلختارهای نامتجانسِ لایه نازک را با استفاده از پلاتین (Pt) و اکسیدهای رسانا ساختند و دامنه تراهرتز آنها را اندازه گرفتند. سیستم شامل IrO2 در مقایسه با منابع تجاری تراهرتز بر اساس کریستال های نوری غیرخطی و سوئیچ های رسانای نوری، سیگنال های سه برابر قوی تری را نشان داد. برخلاف روش‌های سنتی که بر تبدیل جریان‌های بار به جریان‌های قطبی اسپینی متکی هستند، این روش جدید از خواص ذاتی مواد رسانا استفاده می‌کند و نیاز به قطبش اسپینی را از بین می‌برد. علاوه بر این، راندمان تبدیل تراهرتز بالایی را ارائه می دهد که با مکانیسم اثر اسپین-هال معکوس قابل مقایسه است. استفاده از مواد رسانا با رسانایی الکتریکی بسیار ناهمسانگرد، مانند RuO2 و IrO2، راندمان تبدیل این روش را افزایش می دهد. این مزیت نوید انعطاف پذیری و مقیاس پذیری بیشتری را در مقایسه با تکنیک های موجود می دهد که در افزایش زاویه اسپین هال مواد فلزی سنگین با چالش هایی روبرو هستند.

پیامدهای این تحقیق فراتر از تولید موج تراهرتز است. کنترل دقیق جریان‌های بار ناشی از فوتون در میان رابط‌های نانومقیاس، امکاناتی را در برداشت انرژی، الکترونیک فوق سریع و طیف‌سنجی تراهرتز باز می‌کند. این پیشرفت می تواند کاربردهای قابل توجهی در فناوری های مختلف مدرن از جمله سلول های خورشیدی، فتوسنتز مصنوعی و دستگاه های نوری با راندمان بالا داشته باشد.

منبع 

Sheng Zhang et al, Nonrelativistic and nonmagnetic terahertz-wave generation via ultrafast current control in anisotropic conductive heterostructures, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.5.056006