Ondes térahertz (THz), situé entre les gammes de fréquences millimétriques et infrarouges lointains, sont une bande de fréquence électromagnétique qui est encore incomplètement reconnue et comprise. Xiaojun Wu de l'Université de Beihang dirige un groupe de chercheurs cherchant activement des moyens de comprendre, produire, et contrôler le rayonnement THz. Wu note que les ondes THz ont un grand potentiel pour étendre les applications réelles - de l'imagerie au cryptage de l'information - mais le développement de la science et de la technologie THz a été entravé par un manque de sources suffisamment efficaces.

Le groupe de recherche de Wu a étudié un isolant topologique tridimensionnel du tellurure de bismuth (Bi 2 Te 3 ) comme une base prometteuse pour un système THz efficace. Ils ont récemment étudié systématiquement le rayonnement THz de Bi 2 Te 3 nanofilms entraînés par des impulsions laser femtosecondes. Leur rapport publié dans Photonique avancée démontre une génération efficace d'ondes THz chirales avec un état de polarisation réglable arbitrairement qui permet le contrôle de la chiralité, ellipticité, et axe principal.

Selon Wu, le tellurure de bismuth est un excellent candidat pour les futurs systèmes térahertz à base d'isolant topologique sur puce ; il a déjà montré d'excellentes perspectives en émission THz, détection, et modulation. L'isolant topologique bien étudié présente un état de surface spécial verrouillé par impulsion de spin, qui peut également être ajusté avec précision par divers facteurs tels que le nombre de couches atomiques. Wu explique que ce type de source THz peut émettre efficacement des ondes THz polarisées linéairement et circulairement, avec chiralité et polarisation réglables. Cela permettra le développement de la science et des applications THz dans des domaines tels que l'opto-spintronique THz ultrarapide, spectroscopie et imagerie THz basées sur la polarisation, biodétection THz, communications THz en visibilité directe, et le cryptage des informations.

Génération et manipulation d'ondes THz polarisées linéairement

Le groupe de Wu a systématiquement étudié le rayonnement THz de l'isolant topologique Bi 2 Te 3 nanofilms entraînés par des impulsions laser femtosecondes. Ils ont découvert que l'onde THz polarisée linéairement provient du courant de décalage formé par la redistribution ultrarapide de la densité électronique entre les atomes Bi-Te dans Bi 2 Te 3 après que l'isolant topologique est excité par la lumière de pompage polarisée linéairement. Le courant de décalage ultrarapide contribue au rayonnement THz polarisé linéairement. En raison des caractéristiques de réseau de Bi 2 Te 3 , les ondes THz rayonnées sont toujours polarisées linéairement avec un angle de rotation triple, en fonction de l'angle azimutal de l'échantillon. Cette fiabilité rend très pratique la manipulation arbitraire de l'angle de polarisation de l'onde THz en contrôlant le laser incident dans la direction de polarisation.

Génération et manipulation d'ondes THz polarisées circulairement

Wu explique que, afin de produire des impulsions THz polarisées circulairement, il était nécessaire de régler simultanément la polarisation du laser de pompage et l'angle azimutal de l'échantillon. Lorsque l'angle azimutal de l'échantillon a été fixé, les chercheurs ont également obtenu des faisceaux THz elliptiques avec diverses ellipticités et axes principaux, grâce à la combinaison d'un effet photogalvanique linéaire (LPGE) et d'un effet photogalvanique circulaire (CPGE), qui est causé par le retard intrinsèque entre les composants de champ électrique THz pilotés par LPGE et CPGE. Dans le cadre de leurs attentes, ils ont pu manipuler la chiralité des ondes THz émises en faisant varier l'hélicité du laser incident.

Wu explique, "Le courant dépendant de l'hélicité est la raison essentielle pour laquelle nous pouvons obtenir des impulsions THz polarisées en spin, car nous pouvons en ajuster en continu l'amplitude et la polarité en modifiant l'hélicité." Une discussion spécifique de la mise en œuvre et du contrôle du rayonnement THz à polarisation circulaire est incluse dans leur article.

Les auteurs sont optimistes quant au fait que leurs travaux contribueront à une meilleure compréhension collective du contrôle cohérent femtoseconde des courants de spin ultrarapides dans l'interaction lumière-matière et fourniront également un moyen efficace de générer des ondes THz polarisées en spin. Wu note que la manipulation de la polarisation est un pas vers l'objectif d'adapter efficacement les ondes THz torsadées à la source.