量子光新突破或将彻底改变科技

长期以来，石墨烯在高次谐波产生（HHG）研究中一直是极具潜力的候选材料，但其完美的对称性使其只能产生奇次谐波——即原始光源频率的奇数倍频率。而对拓展该技术实际应用至关重要的偶次谐波，则一直难以实现。

量子材料打破壁垒 在近期发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）的一项研究中，由米里亚姆·塞雷娜·维蒂埃洛教授领导的研究团队在光学领域取得了重大进展。通过使用奇特的量子材料，该团队成功将高次谐波产生拓展到了电磁波谱中此前无法触及的新区域。

他们的研究核心是拓扑绝缘体（TIs），这是一类特殊的材料，其内部为电绝缘体，而表面却能导电。由于强自旋轨道耦合和时间反演对称性，这些材料展现出独特的量子行为。尽管科学家此前预测拓扑绝缘体可支持高级形式的谐波产生，但直到现在，这一点才通过实验得到证实。

利用量子纳米结构增强光 研究人员设计了一种名为开口环谐振器的特殊纳米结构，并将其与Bi2Se₃薄层以及由(InₓBi₁₋ₓ)2Se₃制成的范德华异质结构相结合。这些谐振器显著增强了入射光，使团队能够在太赫兹频段观察到奇偶次谐波的产生，这是一项卓越的成就。

他们记录到了6.4太赫兹（偶次）和9.7太赫兹（奇次）之间的频率上转换，揭示了拓扑材料对称的内部和不对称的表面如何共同参与光的产生。这一结果首次清晰展示了拓扑效应如何在太赫兹范围内影响谐波行为。

迈向下一代太赫兹技术 这项实验成果不仅验证了长期存在的理论预测，还为开发紧凑型太赫兹光源、传感器和超快光电子元件奠定了新基础。它为研究人员提供了一种新方法，以研究纳米尺度下对称性、量子态和光与物质相互作用之间的复杂关系。

随着工业界对更小、更快、更高效设备的需求不断增加，这一进展凸显了量子材料推动实际创新的巨大潜力。该发现还指向了利用光学方法制造紧凑型、可调谐太赫兹光源——这一进展可能会重塑高速通信、医疗成像和量子计算等领域的技术。