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研究人员在太赫兹场中开发出可调谐激光器

研究人员已经成功地产生了强烈的光子发射,通过磁场和所研究材料中存在的电子密度在整个太赫兹(THz)频率范围内可调谐。这一发现为开发可调谐激光源铺平了道路,结构紧凑,覆盖整个频率范围。

由于太赫兹光谱和成像的巨大应用潜力,开发覆盖太赫兹领域的激光源的雄心已经激励了研究人员数十年。但即使在今天,位于电子学(微波)和光子学(中红外)领域界面的这个频率范围内的高效紧凑的光源和探测器也很少。在 50 年代末,有人提出了通过回旋共振在半导体中以可调谐(即可修改)方式产生这些太赫兹波的想法。

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在经典视觉中,回旋加速器共振与带电粒子在受到磁场时在平面上产生的圆周和周期运动有关。然而,这个想法在不同的材料中进行测试后被放弃了。事实上,这个过程只对产生具有稀有物理系统的光子有效,其中磁性量子能级(称为朗道能级)的能量不等距。当这些能级的能量等距时,去激发确实不是辐射的,发射的光子立即被重新吸收。
石墨烯的发现,其电子激发的线性能带结构(称为狄拉克费米子,因为相对论电子的同名理论也描述了它们)及其狄拉克费米子的朗道能级能量的非等距,重新唤起了人们对弱磁场可调谐的回旋加速器激光器的兴趣。然而,事实证明,不幸的是,石墨烯的朗道水平的结构仍然允许足够的非辐射复合来排除回旋加速器的发射。事实上,到目前为止,还没有观察到回旋加速器的排放,尽管在这个方向上进行了深入研究。
石墨烯并不是唯一具有二维狄拉克费米子的材料。一个由几个研究团队组成的国际联盟提出了一种替代结构,作为创建未来回旋加速器激光器的现实候选者。这些是HgTe的量子阱,在结构上接近拓扑相变,这种接近导致该系统中存在狄拉克费米子。
这些研究人员使用了一种独特的朗道光谱实验装置,可在查尔斯库仑实验室(L2C,CNRS /蒙彼利埃大学)获得,允许在非常低的能量下测量辐射光学跃迁。因此,他们能够观察到强烈的回旋加速器发射,通过磁场和电子密度在整个太赫兹频率范围内通过电场控制进行调节。
这一发现使得设想开发具有恒定磁场的紧凑型激光源成为可能,并且仅通过调整栅极电压即可在整个太赫兹光谱上可调谐。这些结果发表在Nature Photonics上。


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