研究人员利用奇异量子材料突破了光的对称性壁垒。他们的技术可同时产生偶次和奇次太赫兹谐波，从而解锁了电磁波谱中隐藏的一部分。

这一突破或将催生出紧凑型太赫兹设备，为更高速的无线通信和量子技术提供动力。

打破对称性壁垒

高次谐波产生（HHG）是一项强大技术，它能将光转换为频率更高的光，使科学家得以研究电磁波谱中通常难以触及的区域。然而，将高次谐波产生拓展至太赫兹（THz）频段仍是一大挑战，因为多数材料对称性过高，无法有效支持这一过程。

例如，石墨烯已展现出生成新光频的潜力，但其完美的对称性使其仅能产生奇次谐波——即频率为原始光波奇数倍的光波。而要生成完整光谱不可或缺的偶次谐波，此前却一直难以实现。

量子材料引领潮流

由米里亚姆·塞雷娜·维蒂耶洛（Miriam Serena Vitiello）教授带领的一支研究团队，在光基技术领域取得了重大进展，相关研究内容已发表于《光：科学与应用》期刊。科学家们利用奇异量子材料的独特性质，成功探索到了此前无法触及的电磁波谱区域。

他们的方法依赖于拓扑绝缘体（TIs）——这类材料在内部表现为绝缘体，但能在其表面导电。受强自旋轨道耦合作用和时间反演对称性的影响，这些材料展现出非凡的量子特性。尽管理论表明拓扑绝缘体能够实现复杂形式的和频产生，但在这项新研究之前，尚无实验证明。

利用纳米结构放大光线

研究团队精心设计了名为开环谐振器的纳米结构，并融入了薄层 Bi2Se3 材料，以及由 (InxBi1-x)2Se3 构建的范德华异质结构。这些谐振器显著增强了入射光的强度，使研究人员能够在偶数和奇数太赫兹频率下观察到高次谐波产生（HHG）现象——这一成就极为罕见。

频率上转换现象发生在6.4太赫兹（偶次）与9.7太赫兹（奇次）之间，揭示了拓扑材料对称的体态与不对称的表面态如何协同作用以产生光。这一发现首次清晰展示了在太赫兹频段内，材料对称性与光行为之间的相互作用机制。

这一成功印证了长期以来的理论预测，为研制紧凑型太赫兹源、传感器以及超快光电器件奠定了基础。同时，它也为探究纳米尺度下对称性、量子态与光物质动力学之间的相互作用开辟了新途径。

迈向现实世界中的量子技术

随着科技朝着更快速、更精巧且更高效的系统方向迈进，利用量子材料操控光能的能力成为了一项关键里程碑。这一成果使研究人员离将量子材料的全部能量应用于实际更近了一步。

这一成果有望催生出紧凑型、可跨频段调谐的光泵浦太赫兹光源，为高速无线通信、医学成像及量子计算领域带来变革性突破。

参考信息：论文《基于拓扑绝缘体的范德华超材料中的二次与三次谐波产生》，作者：亚历山德拉·迪加斯帕雷（Alessandra Di Gaspare）、萨拉·盖耶布·扎姆哈里尔（Sara Ghayeb Zamharir）、克雷格·诺克斯（Craig Knox）、艾哈迈德·亚格穆尔（Ahmet Yagmur）、佐佐木智（Satoshi Sasaki）、穆罕默德·萨利赫（Mohammed Salih）、李连和（Lianhe Li）、埃德蒙·H·林菲尔德（Edmund H. Linfield）、约书亚·弗里曼（Joshua Freeman）、米里亚姆·S·维蒂耶洛（Miriam S. Vitiello），发表于2025年9月22日《光：科学与应用》期刊。 DOI：10.1038/s41377-025-01847-5