O grafeno há tempos é um candidato promissor para pesquisa em HHG, mas sua simetria perfeita restringe sua capacidade de produzir apenas harmônicos ímpares – frequências que são múltiplos ímpares da fonte de luz original. Harmônicos pares, que são essenciais para expandir os usos práticos dessa tecnologia, têm sido muito mais difíceis de alcançar.

Materiais Quânticos Quebram a Barreiras

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 inacessíveis partes do espectro eletromagnético.

O trabalho deles se concentra em isolantes topológicos (TIs), uma classe especial de materiais que se comportam como isolantes elétricos por dentro, mas conduzem eletricidade em suas superfícies. Esses materiais exibem um comportamento quântico incomum devido ao forte acoplamento spin-órbita e simetria de inversão temporal. Embora os cientistas tivessem previsto que os TIs poderiam suportar formas avançadas de geração harmônica, ninguém havia demonstrado isso experimentalmente – até agora.

Ampliando a Luz Com Nanostruturas Quânticas

Os pesquisadores projetaram nanostruturas especializadas chamadas resonadores de anel dividido e as integraram com camadas finas de Bi2Se₃ e heteroestruturas de van der Waals feitas de (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃. Esses resonadores intensificaram significativamente a luz que chegava, permitindo que a equipe observasse HHG em frequências de THz, tanto pares quanto ímpares, um feito excepcional.

Eles registraram a conversão de frequência entre 6.4 THz (par) e 9.7 THz (ímpar), revelando 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 interação complexa entre simetria, estados quânticos e interações luz-matéria em escala nanométrica.

À medida que as indústrias continuam a demandar dispositivos menores, mais rápidos e mais eficientes, esse progresso destaca 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 sintonizáveis, alimentadas por métodos ópticos – um avanço que poderia reformular tecnologias em comunicações de alta velocidade, imagem médica e computação quântica.