La capacità di convertire la luce in frequenze molto più elevate rappresenta da anni una sfida cruciale per la fisica applicata, soprattutto quando si tratta di raggiungere la regione dei terahertz dello spettro elettromagnetico. Questa zona intermedia tra le microonde e l'infrarosso è rimasta a lungo una frontiera inesplorata a causa delle limitazioni imposte dalla simmetria dei materiali tradizionali. Ora, un gruppo di ricerca guidato dalla professoressa Miriam Serena Vitiello ha ottenuto un risultato che potrebbe cambiare radicalmente questo scenario.
Il grafene era considerato da tempo un candidato ideale per la generazione di armoniche di ordine elevato, un processo noto con l'acronimo HHG. Tuttavia, la sua struttura perfettamente simmetrica costituiva un limite invalicabile: permetteva infatti di produrre soltanto armoniche dispari, cioè frequenze che rappresentano multipli dispari della sorgente luminosa originale. Le armoniche pari, fondamentali per ampliare le applicazioni pratiche di questa tecnologia, restavano invece fuori portata.
La svolta è arrivata dall'utilizzo di materiali quantistici esotici chiamati isolanti topologici. Si tratta di sostanze che presentano un comportamento peculiare: si comportano come isolanti elettrici all'interno ma conducono corrente lungo le loro superfici. Questa duplice natura deriva da fenomeni quantistici complessi legati all'accoppiamento spin-orbita e alla simmetria di inversione temporale. Sebbene i teorici avessero previsto che questi materiali potessero supportare forme avanzate di generazione armonica, nessuno era riuscito a dimostrarlo sperimentalmente prima d'ora.
Il team di ricerca ha progettato nanostrutture specializzate denominate risonatori ad anello diviso, integrandole con strati sottili di Bi₂Se₃ e eterostrutture di van der Waals composte da (InₓBi₁₋ₓ)₂Se₃. Queste strutture hanno amplificato enormemente l'intensità della luce incidente, consentendo di osservare la generazione di armoniche a frequenze terahertz sia pari che dispari, un traguardo del tutto eccezionale nel campo dell'ottica quantistica.
I risultati pubblicati sulla rivista Light: Science & Applications mostrano come sia l'interno simmetrico che la superficie asimmetrica dei materiali topologici contribuiscano alla generazione di luce. Questa scoperta rappresenta una delle prime dimostrazioni concrete di come gli effetti topologici possano influenzare il comportamento armonico nella regione dei terahertz, aprendo prospettive inedite per lo studio delle interazioni tra luce e materia su scala nanometrica.
L'importanza di questa ricerca va ben oltre la validazione di previsioni teoriche formulate anni fa. Si pone infatti come fondamento per lo sviluppo di sorgenti luminose terahertz compatte, sensori avanzati e componenti optoelettronici ultrarapidi.
La possibilità di creare sorgenti terahertz sintonizzabili e azionate otticamente potrebbe rivoluzionare numerosi ambiti applicativi. Nei sistemi di comunicazione, ad esempio, queste frequenze permetterebbero di trasferire dati a velocità impensabili con le tecnologie attuali. In campo medico, l'imaging terahertz offre vantaggi unici per la diagnosi non invasiva, mentre nel quantum computing potrebbe accelerare lo sviluppo di processori più efficienti.
Il lavoro del gruppo di Vitiello dimostra come i materiali quantistici stiano passando dalla sfera della ricerca teorica a quella delle applicazioni concrete. L'industria richiede dispositivi sempre più piccoli, veloci ed efficienti, e questa scoperta evidenzia il potenziale dei materiali topologici nel guidare l'innovazione reale. La capacità di manipolare la simmetria a livello nanometrico per controllare le proprietà ottiche apre scenari che fino a pochi anni fa appartenevano esclusivamente alla fantascienza.
