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Jun 11, 2023

Científicos investigan materiales cuánticos a niveles profundos

La espectroscopia de emisión de terahercios ha surgido como una técnica valiosa para

La espectroscopia de emisión de terahercios se ha convertido en una técnica valiosa para investigar las propiedades físicas estáticas, así como la dinámica ultrarrápida que se produce en nuevos sistemas de materiales, que pueden permanecer ocultas para otras sondas. En un nuevo artículo de la revista Light: Science & Applications, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos dirigido por Hou-Tong Chen del Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio revisa una selección de estudios recientes que han utilizado la espectroscopia de emisión de terahercios para descubrir propiedades y comportamientos dinámicos complejos de materiales emergentes. Estos incluyen materiales cuánticos como superconductores e imanes, así como materiales de baja dimensión, como grafeno y nanoestructuras metálicas.

"Aunque existe una variedad de espectroscopias ópticas no lineales, la emisión de terahercios le permite probar las propiedades y dinámicas de los materiales que pueden permanecer ocultas para otras técnicas", dijo Jacob Pettine, científico de materiales en Los Alamos y coautor del artículo. "Por lo tanto, este método se ha vuelto bastante importante para interrogar materiales novedosos".

El concepto central de la espectroscopia de emisión de terahercios es la rectificación, o conversión, de campos ópticos de alta frecuencia en corrientes de baja frecuencia, similar a la rectificación requerida para convertir corrientes alternas de la pared en corrientes continuas que pueden alimentar dispositivos domésticos o cargar baterías. . Detrás de cualquier proceso de rectificación hay una simetría rota, a menudo una simetría de espejo/inversión espacial, aunque la ruptura de la simetría de inversión temporal se vuelve clave en los sistemas magnéticos.

"En el nivel más básico, la emisión de radiación de terahercios requiere algún tipo de direccionalidad en su material, en el espacio y/o el tiempo", señaló el coautor principal Nicholas Sirica, también de Los Alamos. "Entonces, si apaga cualquier luz de terahercios, inmediatamente le dice algo sobre la simetría del sistema".

El coautor principal, Prashant Padmanabhan, agregó: "Entonces puede obtener información detallada sobre la estructura del material, las propiedades electrónicas y magnéticas y las interacciones entre la luz y la materia al medir el campo de terahercios emitido en respuesta a diferentes polarizaciones, frecuencias o amplitudes de la luz incidente".

Un tema complementario explorado en la revisión es la interacción entre la estructuración intrínseca (es decir, red atómica) y extrínseca (artificial/a nanoescala), donde la estructuración artificial puede introducir nuevas simetrías y mejorar las respuestas de corriente de terahercios que de otro modo podrían ser débiles o estar prohibidas en el material intrínseco/a granel. Hasta ahora, el énfasis se ha puesto principalmente en explorar las propiedades complejas de los materiales cuánticos emergentes o los comportamientos intrincados que pueden ocurrir en formas nanoestructuradas/de baja dimensión de metales, semimetales o semiconductores relativamente simples. Un esfuerzo de esta revisión es resaltar las oportunidades en la intersección de estas ideas.

"En este documento de revisión, nuestro objetivo es proporcionar una descripción general de los sistemas esenciales y los mecanismos básicos explorados hasta ahora a través de la emisión de terahercios", señaló Chen. "También tratamos de resaltar las oportunidades para diseñar tales simetrías de interacción material y luz-materia en sistemas estructurados artificialmente".

La interacción entre la estructuración de materiales intrínsecos, extrínsecos e híbridos puede estimular el descubrimiento de propiedades y fenómenos exóticos más allá de los paradigmas materiales existentes, señala el artículo.

Fondos: Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Este trabajo se realizó, en parte, en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias operada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

Papel: Emisión ultrarrápida de terahercios de materiales emergentes con simetría rota, luz: ciencia y aplicación. Jacob Pettine, Prashant Padmanabhan, Nicholas Sirica, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor y Hou-Tong Chen