Ta₂NiSe₅ als photonischer Zeitkristall zur Verstärkung von THz-Laserlicht

Theoretiker am MPSD haben gemeinsam mit Forschenden aus den USA und der Schweiz gezeigt, dass die Anregung mit Laserlicht einen bestimmten Quantenionenzustand in dem exzitonischen Isolatorkandidaten Ta₂NiSe₅ (Tantal-Nickelselenid) erzeugen kann, der ihn in einen photonischen Zeitkristall verwandelt. Ihre in Nature Communications veröffentlichte Arbeit erklärt den Schlüsselmechanismus, der zur Terahertz-Verstärkung (THz) in diesem Material führt.

Das Team untersuchte Ta₂NiSe₅, um das Verhalten seiner Elektronen unter Bestrahlung mit Laserlicht zu verstehen. Dabei zeigte sich ein faszinierender Aspekt: Die Ionenbewegungen des Materials lassen sich für die Verstärkung von Laserlicht im THz-Bereich einsetzen. Denn die ersten Laserpulse zwingen die Ionen in einen bestimmten Schwingungszustand, der wiederum zur Verstärkung der Intensität eines zweiten THz-Laserstrahls genutzt werden kann. Die Verstärkung von THz-Wellen ist für künftige Informationstechnologien möglicherweise von entscheidender Bedeutung, da sie große Datenmengen transportieren können.

Das Theorieteam zeigte, dass die Ionen in der Ta2NiSe5-Probe verschränkt werden und oszillieren, wenn sie durch Laserpulse angeregt werden, was zu einem „gequetschten“ Zustand im THz-Frequenzbereich führt. Die in diesen Schwingungen gespeicherte Energie kann dann durch einen zweiten Laserstrahl, ebenfalls im THz-Bereich, extrahiert werden.

Fast so, wie die Beinbewegungen eines schaukelnden Kindes seine Schwingungen vergrößern, verstärken die Oszillationen der Ionen den zweiten Laserstrahl. Dabei geben die verschränkten Ionenschwingungen ihre Energie an den Laserstrahl ab, verlangsamen und kommen schließlich zum Stillstand.

Die Ergebnisse der Studie sind ein prinzipieller Beweis dafür, wie eine starke Elektron-Ionen-Kopplung zu THz-Verstärkern führen kann. Auf schnellen Zeitskalen wird die Reaktion des Materials auf Licht von schnellen Elektronen dominiert, während die Wechselwirkung mit Licht im THz-Bereich von sich langsam bewegenden Ionenschwingungen beherrscht wird. Eine starke Elektron-Ionen-Kopplung in Quantenmaterialien könnte daher eine effiziente Umwandlung von leicht zugänglicher Hochfrequenzstrahlung in THz-Strahlung ermöglichen, wo Laser mit höherer Amplitude und Schmalbandverstärker benötigt werden.

„Die parametrische Verstärkung ist ein heißes ein heißes Thema geworden, da es für die THz-Kommunikation genutzt werden kann. THz-Frequenzen erhöhen die Bandbreite für die drahtlose Übertragung von Informationen um das 1.000-fache im Vergleich zur niederfrequenten Gigaherz-Kommunikation. Solche Geschwindigkeiten wären für die Umsetzung einer drahtlosen virtuellen und erweiterten Realität erforderlich", erklärt der Hauptautor Marios Michael.

„Dieses Forschungsgebiet überschneidet sich auf natürliche Weise mit der Theorie der kondensierten Materie zu den Eigenschaften von Vielteilchensystemen. Denn kollektive Schwingungen wie die von Ionen befinden sich typischerweise im THz-Bereich.“

An der Kollaboration waren Forschende aus der Theorieabteilung des MPSD, der Harvard University, der University of California San Diego und dem Stanford Institute for Materials and Energy Sciences in den Vereinigten Staaten sowie der ETH Zürich in der Schweiz beteiligt.