La generación de armónicos de alto orden (HHG) es un proceso que convierte la luz a frecuencias mucho más altas, lo que permite a los científicos explorar áreas del espectro electromagnético de difícil acceso. Sin embargo, generar frecuencias de terahercios (THz) utilizando HHG sigue siendo un obstáculo importante porque la mayoría de los materiales son demasiado simétricos para soportar esta transición.
El grafeno ha sido durante mucho tiempo un candidato prometedor para la investigación de HHG, pero su perfecta simetría lo limita a producir sólo armónicos impares (frecuencias que son múltiplos impares de la fuente de luz original). Incluso los armónicos, que son esenciales para ampliar el uso práctico de esta tecnología, son mucho más difíciles de lograr.
Rompiendo la barrera del material cuántico
En un estudio publicado recientemente, el Dr. Iluminación: ciencia y aplicacionesUn equipo de investigación dirigido por la profesora Miriam Serena Vitiello ha logrado un gran avance en la ciencia óptica. Trabajando con materiales cuánticos exóticos, el equipo ha extendido con éxito HHG a partes nuevas y previamente inalcanzables del espectro electromagnético.
Su trabajo se centra en aisladores topológicos (TI), una clase especial de materiales que se comportan como aislantes eléctricos en el interior pero conducen electricidad a lo largo de su superficie. Estos materiales exhiben un comportamiento cuántico inusual debido al fuerte acoplamiento espín-órbita y a la simetría de inversión del tiempo. Aunque los científicos predijeron que los TI podrían soportar formas avanzadas de generación de armónicos, nadie lo había demostrado todavía experimentalmente… hasta ahora.
Amplificación de la luz con nanoestructuras cuánticas
Los investigadores diseñaron nanoestructuras especializadas llamadas resonadores de anillo dividido y las combinaron con capas delgadas de Bi2Se₃ y heteroestructuras de van der Waals hechas de (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃. Estos resonadores intensificaron significativamente la luz entrante, lo que permitió al equipo observar HHG en frecuencias THz tanto pares como impares, un logro excepcional.
Registraron una conversión ascendente de frecuencia entre 6,4 THz (par) y 9,7 THz (impar), revelando cómo tanto el interior simétrico como la superficie asimétrica de los materiales topológicos contribuyen a la generación de luz. Este resultado representa una de las primeras demostraciones claras de cómo los efectos topológicos pueden moldear el comportamiento armónico en el rango de THz.
Hacia la tecnología de terahercios de próxima generación
Este logro experimental no solo valida predicciones teóricas de larga data, sino que también sienta una nueva base para el desarrollo de fuentes de luz compactas de terahercios, sensores y componentes optoelectrónicos ultrarrápidos. Esto ofrece a los investigadores una nueva forma de estudiar la compleja interacción entre la simetría, los estados cuánticos y las interacciones luz-materia a nanoescala.
A medida que las industrias continúan demandando dispositivos más pequeños, más rápidos y más eficientes, estos avances resaltan el creciente potencial de los materiales cuánticos para la innovación en el mundo real. El descubrimiento también apunta hacia la creación de fuentes de luz compactas y sintonizables de terahercios alimentadas por métodos ópticos, un avance que podría remodelar las tecnologías de las comunicaciones de alta velocidad, las imágenes médicas y la computación cuántica.
