Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond

Att överbrygga ett saknat band av osynligt ljus

Terahertz-ljus ligger mellan mikrovågor och infrarött i det elektromagnetiska spektrumet och kan få atomer och molekyler att vibrera på sätt som avslöjar eller kontrollerar dolda egenskaper i material. Ändå har ett viktigt stycke av detta spektrum, ungefär 5–15 biljoner cykler per sekund, varit ökända svårt att nå med kraftfulla, rena pulser. Denna artikel visar hur en liten men exakt ihoppressad diamantsingel kan fungera som en ny sorts motor för att generera intensiva, ultrakorta terahertzsutbrott som sömlöst täcker detta ”saknade” band, vilket öppnar möjligheter att undersöka supraledare, kvantmaterial och komplexa molekyler.

Varför detta dolda område är viktigt

Många viktiga material svarar starkast på vibrationer i 5–15 terahertz-bandet. Att driva en supraledare eller ett magnetiskt kristallmaterial i precis rätt rytm kan tillfälligt förändra dess tillstånd, slå på supraledning eller omforma dess magnetiska mönster. Befintliga terahertz-källor lämnar antingen luckor i detta frekvensområde, är för svaga vid vissa färger, eller bygger på känsliga, dyra kristaller och komplicerade uppställningar. Forskare behöver därför en källa som är kraftfull, ställbar över hela detta band utan luckor och tillräckligt enkel för att integreras i vanliga laboratorier för ultrakorta pulser.

Använda diamant som en terahertz-motor

Författarna bygger vidare på en metod där tre noggrant tidsinställda laserpulser samverkar i diamanten. Två längre pulser drar först i kristallens atomer i takt och exciterar en välbestämd gittervibration. En tredje, mycket kort mid-infraröd puls passerar därefter och ”slår” mot denna vibration, vilket omvandlar en del av dess energi nedåt i frekvens till en terahertz-puls. Färgen på terahertz-ljuset bestäms av skillnaden i färger mellan de två första pulserna och färgen på den mid-infraröda pulsen, så enkelt ställda lasrar låter utgången svepa från omkring 5 terahertz och långt över 15 utan luckor. Den avgörande utmaningen är dock att säkerställa att alla vågor som färdas genom diamanten adderas i fas så att det genererade terahertzfältet växer istället för att utsläcka sig självt.

Att belasta diamant för perfekt timing

I en obelastad diamant håller vågorna inte naturligt takten när alla strålar färdas längs samma linje, vilket tvingat tidigare experiment att använda strålkorsning i vinklar. Den icke-kollineära geometrin förkortar interaktionsregionen, komplicerar inställningen och introducerar distorsioner i utgående stråle. Här applicerar teamet en kontrollerad mekanisk press längs en axel av en liten diamantskub. Denna lilla strain ändrar något hur snabbt olika färger ljus rör sig genom kristallen, och med rätt mängd kompression linjerar timingen upp sig: alla interagerande vågor kan propagera kollineärt samtidigt som de håller fas. Experiment visar att med denna metod producerar en 2 millimeter tjock diamant ungefär tre gånger mer terahertz-energi vid 10 terahertz än den vinklade stråluppställningen, samtidigt som en ren, nära Gaussisk stråle som fokuserar tätt bevaras.

Att balansera energiflödet inne i kristallen

För att förstå och optimera prestanda löser författarna numeriskt ekvationer som följer både ljuspulserna och kristallens vibrationer när de fortplantas genom diamanten. De finner att den starkaste pumppulsen kraftigt utarmas—majoriteten av dess energi omvandlas till de andra vågorna—så enkla formler som antar försumbar utarmning fallerar. Simulationerna visar att det som betyder mest inte bara är hur hårt kristallen drivs, utan formen och utbredningen av vibrationsmönstret längs diamantens längd. Om drivpulserna är för starka eller perfekt stämda blir vibrationerna mycket intensiva men begränsade till en kort region; om de är för svaga eller felinställda sprids vibrationerna men når aldrig stor amplitud. Den gyllene medelvägen är en bred, måttligt stark vibrationsprofil som överlappar väl med den korta mid-infraröda pulsen och maximerar terahertz-utbytet.

Skalning och framtidsperspektiv

Med deras nuvarande lasersystem genererar forskarna 60-femtosekunders terahertz-pulser vid 10 terahertz med 30 nanojoule energi, vilket når elektriska fältstyrkor över två miljoner volt per centimeter vid tät fokusering. Deras beräkningar antyder att måttligt tjockare diamanter—upp till några millimeter—skulle kunna öka energin flera gånger innan praktiska gränser, såsom skador och strålspridning, sätter stopp. Eftersom strålarna nu alla färdas kollineärt integreras källan naturligt i vanliga terahertz-tidsdomäns- och ultrafast-spektroskopiuppställningar. I praktiken levererar detta arbete, genom att varsamt pressa diamant och noggrant balansera ingångspulserna, en kompakt, ställbar och intensiv källa som effektivt stänger 5–15 terahertz-luckan och utrustar forskare med ett kraftfullt nytt verktyg för att driva och utforska komplex materialbeteenden.

Citering: 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

Nyckelord: terahertz pulses, strained diamond, ultrafast lasers, Raman scattering, quantum materials