新材料充当高效的频率倍增器 - 可能导致更快的数据传输和更强大的处理器

一支国际研究人员能够表明，三维Dirac材料镉砷（蓝色红色锥体）可以将强大的太赫兹脉冲（红线）的频率倍增七倍。其原因是镉砷中的自由电子（红色点），其被Terahertz闪光的电场加速，因此，又发射电磁辐射。

较高频率意味着更快的数据传输和更强大的处理器 - 多年来一直驾驶IT行业的公式。然而，从技术上讲，它是易于不断增加的时钟速率和无线电频率的任何东西。新材料可以解决问题。Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）的实验现已产生了一个有希望的结果：一支国际研究人员能够获得一种新颖的材料来提高太赫兹辐射闪光的频率七倍：潜在的IT应用程序的第一步，因为期刊自然通信中的群组报告。

当智能手机接收数据和计算机芯片执行计算时，这些过程始终涉及在明确定义的路径上发送电子的交替电场。较高的场频率意味着电子可以更快地完成工作，实现更高的数据传输速率和更大的处理器速度。目前的天花板是太赫兹范围，这就是为什么世界各地的研究人员热衷于了解太赫兹领域如何与新颖的材料进行互动。“我们在Hzdr的Telbe Terahertz设施是研究这些互动的杰出来源，并识别有前途的材料，”来自Hzdr辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert说。“例如，可能的候选者是镉砷化镉。”

物理学家与来自德累斯顿，科隆和上海的研究人员一起研究过这种化合物。砷化镉（CD3AS2）属于所谓的三维DIRAC材料组，其中电子可以非常快速且彼此相互作用并且快速摆动交流电场。“我们特别感兴趣的镉砷化镉也会以新的，较高的频率发出太赫兹辐射，”Telbe Beamline Scorey Kovalev解释说。“我们已经在石墨烯中非常成功地观察到这款二维Dirac材料。”研究人员怀疑镉的三维电子结构将有助于在这种转换中获得高效率。

为了测试这一点，专家使用了一种特殊的方法来生产来自砷化镉的超薄高纯度血小板，然后它们从Telbe设施进行太赫兹脉冲。血小板背后的探测器记录了镉的砷化镉如何反应到辐射脉冲。结果：“我们能够表明镉的砷化镉充当高效的频率倍增器，并且不会失去它的效率，甚至不能在Telbe产生的非常强大的太赫兹脉冲下，”前HZDR研究员Zhe Wang报道，他现在在工作科隆大学。该实验是第一个展示Terhertz频率倍增现象达到第七次谐波的现象。

电子跳舞自己的节拍

除了实验证据外，团队还与研究人员组成了Max Planck的复杂系统物理研究所还提供了对发生的事情的详细理论描述：撞击镉砷化镉的太赫兹脉冲产生强电场。“该领域加速了材料中的自由电子，”Deinert描述了。“想象一下，一大批在板上滚动的微小钢颗粒在非常快速地倾斜的板上。”

镉砷中的电子通过发射电磁辐射来响应这种加速度。至关重要的是，它们并不完全遵循太赫兹领域的节奏，而是在相当复杂的路径上振荡，这是材料不寻常的电子结构的结果。结果，电子在原始频率的奇数整数倍数下发出新的太赫兹脉冲 - 一种类似于钢琴的非线性效果：当您在键盘上击中钥匙时，仪器不仅发出您播放的关键，而且还具有丰富的泛滥，谐波。

对于5G世界的帖子

该现象具有许多未来应用的承诺，例如在无线通信中，这朝向更高的射频趋势可以传输比今天的传统信道更多的数据。该行业目前正在推出5G标准。由DIDAC材料制成的部件可以一天使用甚至更高的频率 - 因此能够比5G更大的带宽。由于基于Dirac的组件可以理解，新的计算机似乎对未来计算机似乎感兴趣，因此可以促进比当今基于硅技术更高的时钟速率。

但首先，它背后的基本科学需要进一步研究。“我们的研究结果只是第一步，”强调Zhe Wang。“在我们可以设想具体应用之前，我们需要提高新材料的效率。”为此，专家希望通过应用电流来了解它们如何控制频率倍增。并且他们想涂上他们的样品，即用外来原子富集它们，希望优化非线性频率转换。

参考：“在三维Dirac半球度CD3AS2中”非扰动太赫兹高谐波发电“，由Sergey Kovalev，Renato Ma Dantas，Semyon Germanskiy，Jan Christoph Deinert，Bertram Green，Igor Ilyakov，Nilesh Awari，Min Chen，Mohammed Bawatna，Jiwei凌，比亚天秀，保罗赫姆·瓦索德·索德，皮托尔·苏罗克，拉莎·奥卡和哲王，5月15日2020年5月15日，自然传播.DOI：
10.1038 / s41467-020-16133-8