Бесшовная настраиваемая генерация интенсивных терагерцовых импульсов в деформированном алмазе

Заполнение пропущенной полосы невидимого света

Терагерцовое излучение располагается между микроволнами и инфракрасным диапазоном в электромагнитном спектре и может возбуждать атомы и молекулы так, что это выявляет или управляет скрытыми свойствами материалов. Тем не менее важный участок этого диапазона, примерно 5–15 триллионов циклов в секунду, исторически трудно доступен для мощных и чистых импульсов. В статье показано, как небольшой, но точно сжатый кристалл алмаза может выступать в роли нового рода генератора интенсивных ультракоротких терагерцовых всплесков, которые непрерывно покрывают эту «пропущенную» полосу, открывая возможности для исследования сверхпроводников, квантовых материалов и сложных молекул.

Почему эта скрытая полоса важна

Многие значимые материалы сильнее всего реагируют на колебания в диапазоне 5–15 терагерц. Возбуждение сверхпроводника или магнитного кристалла в нужном ритме может временно изменить их состояние, включив сверхпроводимость или перестроив магнитную структуру. Существующие терагерцовые источники либо оставляют разрывы в этой частоте, либо недостаточно эффективны на отдельных цветах, либо зависят от хрупких и дорогих кристаллов и сложных установок. Исследователям нужен источник, который был бы мощным, настраиваемым по всей этой полосе без пропусков и достаточно простым для интеграции в стандартные лаборатории с ультракороткими лазерами.

Использование алмаза как терагерцового двигателя

Авторы опираются на метод, где три точно синхронизированных лазерных импульса взаимодействуют внутри алмаза. Два более долгих импульса сначала в такт «тянут» атомы кристалла, возбуждая четко определённое колебание решётки. Третий, очень короткий импульс в среднеинфракрасной области затем проходит через кристалл и «бьется» с этим колебанием, преобразуя часть своей энергии в терагерцовый импульс. Цвет терагерцового излучения определяется разностью цветов первых двух импульсов и цветом среднеинфракрасного импульса, поэтому простая подстройка лазеров позволяет охватить диапазон примерно от 5 терагерц до значительно выше 15 без пропусков. Ключевая задача — обеспечить, чтобы все волны, распространяющиеся в алмазе, суммировались в фазе, так чтобы генерируемое терагерцовое поле усиливалось, а не уничтожалось интерференцией.

Деформация алмаза для идеальной синхронизации

В недеформированном алмазе волны естественным образом не остаются в фазе при коллинеарном распространении всех лучей, поэтому ранние эксперименты использовали перекрещивающиеся под углом пучки. Такая неколлинеарная геометрия укорачивает зону взаимодействия, усложняет выравнивание и вносит искажения в выходной пучок. В этой работе команда применяет контролируемое механическое сжатие вдоль одной оси небольшого алмазного куба. Это небольшое напряжение слегка изменяет скорость распространения разных цветов света в кристалле, и при правильной величине компрессии времена выравниваются: все взаимодействующие волны могут распространяться коллинеарно и оставаться в фазе. Эксперименты показывают, что при таком подходе 2‑миллиметровый алмаз даёт примерно в три раза больше терагерцовой энергии на 10 терагерц по сравнению с установкой с лучами под углом, при этом сохраняя чистый, почти гауссовский пучок, который можно сильно сфокусировать.

Баланс энергии внутри кристалла

Чтобы понять и оптимизировать работу, авторы численно решают уравнения, отслеживающие как световые импульсы, так и колебания кристалла по мере их продвижения через алмаз. Они обнаруживают, что самый сильный насосный импульс сильно истощается — большая часть его энергии преобразуется в другие волны — поэтому простые формулы, предполагающие пренебрежимо малое истощение, перестают работать. Моделирование показывает, что важен не только уровень возбуждения кристалла, но и форма и протяжённость колебательного профиля вдоль длины алмаза. Если управляющие импульсы слишком сильны или идеально настроены, вибрация становится очень интенсивной, но локализованной в коротком участке; если слишком слабы или сильно детунированы, вибрация распространяется, но никогда не достигает большой амплитуды. Оптимум — широкий, умеренно сильный колебательный профиль, который хорошо перекрывается с коротким среднеинфракрасным импульсом, что максимизирует терагерцовый выход.

Масштабирование и перспективы

С их текущей лазерной системой исследователи генерируют 60‑фемтосекундные терагерцовые импульсы на 10 терагерц с энергией 30 наноДж, достигая напряжённостей электрического поля свыше двух миллионов вольт на сантиметр при сильной фокусировке. Их расчёты показывают, что умеренно более толстые алмазы — до нескольких миллиметров — могли бы увеличить энергию в несколько раз до наступления практических пределов, таких как разрушение и расходимость пучка. Поскольку теперь все пучки распространяются коллинеарно, источник естественно интегрируется в распространённые установки терагерцовой временной доменной и ультрабыстрой спектроскопии. По сути, за счёт мягкого сжатия алмаза и тщательной балансировки входных импульсов эта работа даёт компактный, настраиваемый и интенсивный источник, который эффективно закрывает разрыв 5–15 терагерц и обеспечивает исследователей мощным новым инструментом для возбуждения и изучения сложного поведения материалов.

Цитирование: Su, Y., Wei, Y., Lin, C. et al. Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond. Light Sci Appl 15, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02092-6

Ключевые слова: терагерцовые импульсы, деформированный алмаз, ультракороткие лазеры, Раманское рассеяние, квантовые материалы