Ultraschnelle Terahertz-Emission aus neu entstehenden Materialien mit gebrochener Symmetrie

Die Terahertz (THz)-Emissionsspektroskopie hat sich als wertvolle Technik zur Untersuchung statischer physikalischer Eigenschaften sowie ultraschneller Dynamik in neuartigen Materialsystemen erwiesen, die anderen Sonden möglicherweise verborgen bleiben.

In diesem Übersichtsartikel untersuchen die Autoren eine breite Auswahl aktueller THz-Emissionsstudien mit Quanten- und niedrigdimensionalen Materialien und betonen dabei vereinheitlichende Symmetrieüberlegungen sowie Möglichkeiten, das Zusammenspiel zwischen intrinsischer und extrinsischer (künstlicher Nano-Mikroskala) Struktur für Designereigenschaften zu nutzen .

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Licht: Wissenschaft und Anwendungen, ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Hou-Tong Chen vom Center for Integrated Nanotechnologies am Los Alamos National Laboratory, überprüft eine Auswahl aktueller Studien, in denen Terahertz (THz)-Emissionsspektroskopie genutzt wurde, um grundlegende Eigenschaften und komplexe dynamische Verhaltensweisen neuer Materialien aufzudecken . Dazu gehören Quantenmaterialien wie Supraleiter und Magnete sowie niedrigdimensionale Materialien wie Graphen und Metallnanostrukturen.

„Obwohl es eine Vielzahl nichtlinearer optischer Spektroskopien gibt, ermöglicht die Terahertz-Emission die Untersuchung von Materialeigenschaften und -dynamiken, die anderen Techniken verborgen bleiben könnten“, sagte einer der Co-Hauptautoren des Papiers, Jacob Pettine. „Diese Methode ist daher für die Untersuchung neuartiger Materialien sehr wichtig geworden.“

Das zentrale Konzept der THz-Emissionsspektroskopie ist die Gleichrichtung hochfrequenter optischer Felder in niederfrequente Felder, ähnlich der Gleichrichtung, die erforderlich ist, um Wechselströme (AC) von der Wand in gerichtete Ströme (DC) umzuwandeln, die Geräte mit Strom versorgen oder Batterien laden können . Jedem Gleichrichtungsprozess liegt eine gebrochene Symmetrie zugrunde – oft eine räumliche Spiegel-/Inversionssymmetrie, obwohl die Aufhebung der Zeitumkehrsymmetrie in magnetischen Systemen von entscheidender Bedeutung ist.

„Grundsätzlich erfordert die Emission von Terahertz-Strahlung eine bestimmte Richtung in Ihrem Material, im Raum und/oder in der Zeit“, bemerkte Co-Hauptautor Nicholas Sirica. „Wenn man also Terahertz-Licht herausbekommt, verrät es einem sofort etwas über die Symmetrie des Systems.“

Co-Hauptautor Prashant Padmanabhan fügte hinzu: „Sie können dann detaillierte Einblicke in die Materialstruktur, die elektronischen und magnetischen Eigenschaften sowie die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie gewinnen, indem Sie das emittierte THz-Feld als Reaktion auf unterschiedliche Polarisation, Frequenz oder Amplitude des einfallenden Lichts messen.“

Ein ergänzendes Thema, das in der Übersicht untersucht wird, ist das Zusammenspiel zwischen intrinsischer (d. h. Atomgitter) und extrinsischer (künstlich/nanoskaliger) Strukturierung, wobei künstliche Strukturierung neue Symmetrien einführen und THz-Stromreaktionen verbessern kann, die ansonsten im intrinsischen/unzulässigen Zustand schwach oder verboten wären. Schüttgut.

Bisher lag der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Erforschung entweder (i) komplexer Masseneigenschaften neu entstehender Quantenmaterialien oder (ii) komplizierter Verhaltensweisen, die in niedrigdimensionalen/nanostrukturierten Formen relativ einfacher Metalle, Halbmetalle oder Halbleiter auftreten können. Ein Ziel dieser Überprüfung besteht darin, Möglichkeiten an der Schnittstelle dieser Ideen hervorzuheben.

„In diesem Übersichtsartikel möchten wir einen Überblick über die wesentlichen Systeme und grundlegenden Mechanismen geben, die bisher über die THz-Emission untersucht wurden“, bemerkte Chen. „Wir versuchen auch Möglichkeiten aufzuzeigen, solche Material- und Licht-Materie-Wechselwirkungssymmetrien in künstlich strukturierten Systemen wie plasmonischen Metaoberflächen zu entwerfen.“

Das Zusammenspiel zwischen intrinsischer, extrinsischer und hybrider Materialstrukturierung könnte die Entdeckung exotischer Eigenschaften und Phänomene jenseits bestehender Materialparadigmen anregen, heißt es in der Arbeit.