A geração de harmônicos de alta ordem (HHG) é um processo que transforma a luz em frequências muito mais altas, permitindo que os cientistas explorem áreas do espectro eletromagnético que são, de outra forma, difíceis de alcançar. No entanto, gerar frequências terahertz (THz) usando HHG tem permanecido um grande obstáculo, pois a maioria dos materiais é demasiado simétrica para suportar essa conversão.
O grafeno há muito é um candidato promissor para a pesquisa em HHG, mas sua simetria perfeita o restringe a produzir apenas harmônicos ímpares — frequências que são múltiplos ímpares da fonte de luz original. Harmônicos pares, que são essenciais para expandir as aplicações práticas dessa tecnologia, têm sido muito mais difíceis de alcançar.
Materiais Quânticos Quebram a Barreira
Em um estudo recente publicado na Light: Science & Applications, um grupo de pesquisa liderado pela Prof. Miriam Serena Vitiello alcançou um grande avanço na ciência óptica. Ao trabalhar com materiais quânticos exóticos, a equipe conseguiu estender a HHG para novas e anteriormente inatingíveis partes do espectro eletromagnético.
O trabalho deles se concentra em isolantes topológicos (TIs), uma classe especial de materiais que se comporta como isolantes elétricos internamente, mas conduzem eletricidade ao longo de suas superfícies. Esses materiais exibem comportamentos quânticos incomuns devido ao forte acoplamento spin-órbita e simetria de reversão temporal. Embora cientistas tenham previsto que TIs poderiam suportar formas avançadas de geração harmônica, ninguém havia demonstrado isso experimentalmente – até agora.
Amplicando a Luz com Nanoestruturas Quânticas
Os pesquisadores projetaram nanoestruturas especializadas chamadas ressonadores de anel dividido e as integraram com camadas finas de Bi2Se₃ e heteroestruturas de van der Waals feitas de (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃. Esses ressonadores intensificaram significativamente a luz que chegava, permitindo à equipe observar HHG em frequências THz mesmo e ímpares, uma conquista excepcional.
Eles registraram a conversão de frequência entre 6,4 THz (par) e 9,7 THz (ímpar), descobrindo como tanto o interior simétrico quanto a superfície assimétrica dos materiais topológicos contribuem para a geração de luz. Esse resultado representa uma das primeiras demonstrações claras de como os efeitos topológicos podem moldar o comportamento harmônico na faixa de THz.
Rumo à Tecnologia Terahertz de Próxima Geração
Essa conquista experimental não apenas valida previsões teóricas de longa data, mas também estabelece uma nova base para o desenvolvimento de fontes de luz terahertz compactas, sensores e componentes optoeletrônicos ultrarrápidos. Ela oferece aos pesquisadores uma nova maneira de estudar a complexa interação entre simetria, estados quânticos e interações luz-matéria em escala nanométrica.
À medida que as indústrias continuam a exigir dispositivos menores, mais rápidos e mais eficientes, tal progresso ressalta o crescente potencial dos materiais quânticos para impulsionar inovações no mundo real. A descoberta também aponta para a criação de fontes de luz terahertz compactas e ajustáveis alimentadas por métodos ópticos – um avanço que poderia reformular tecnologias em comunicações de alta velocidade, imagiologia médica e computação quântica.