来源：《化合物半导体》

科学家表明砷化镉是太赫兹频率的有效倍增器。更高的频率意味着更快的数据传输和更强大的处理器。但很难持续提高时钟频率和无线电频率。德国Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossendorf（HZDR）的实验表明，化合物Cd₃As₂可以解决这一问题。

国际研究小组发现，Cd₃As₂可以将太赫兹辐射闪光频率提高7倍：这是潜在IT应用的第一步，正如该小组在《自然通信》杂志（DOI:10.1038/s41467-020-16133-8）中所报道的那样。

当智能手机接收到数据，计算机芯片执行计算时，这些过程总是涉及到交变电场，这些电场在清晰定义的路径上发送电子。更高的场频率意味着电子可以更快地完成工作，从而实现更高的数据传输速率和更高的处理器速度。目前的上限是太赫兹范围，这就是为什么全世界的研究人员都热衷于了解太赫兹场是如何与新材料相互作用的。”HZDR辐射物理研究所的Jan Christoph Deinert说：“我们在HZDR的TELBE太赫兹设施是详细研究这些相互作用并识别有希望材料的杰出来源。”例如，Cd₃As₂就是一个可能的候选者。”

这位物理学家与德累斯顿、科隆和上海的研究人员一起研究了这种化合物。Cd₃As₂属于三维Dirac材料的一类，在这类材料中，电子之间相互作用非常迅速和有效，并与快速振荡的交变电场相互作用。

“我们对Cd₃As₂是否也在新的更高频率发射太赫兹辐射特别感兴趣，”TELBE波束线科学家谢尔盖·科瓦列夫解释说我们已经在二维Dirac材料石墨烯中成功地观察到了这一点。”研究人员怀疑Cd₃As₂的三维电子结构将有助于在这种转换中获得高效率。

为了验证这一点，专家们采用了一种特殊的方法，从Cd₃As₂中制备出超薄的高纯度血小板，然后将其置于TELBE设备的太赫兹脉冲下。血小板后面的探测器记录了Cd₃As₂对辐射脉冲的反应。结果是：“我们能够证明Cd₃As₂是一种高效的倍频器，并且不会失去它的效率，即使在TELBE可以产生非常强的太赫兹脉冲的情况下也是如此”，HZDR前研究员王哲（音译）说，他现在在科隆大学工作。这项实验是有史以来第一次证明太赫兹倍频现象，在这类仍然年轻的材料中达到七次谐波。

除了实验证据外，研究小组还与马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的研究人员一起，对所发生的情况进行了详细的理论描述：撞击Cd₃As₂的太赫兹脉冲产生了强大的电场。”这个场加速了材料中的自由电子想象一下，一个盘子上滚动着大量的小钢球，而这些钢球从一边滚到另一边的速度非常快。”

Cd₃As₂中的电子通过发射电磁辐射来响应这种加速度。关键的是，它们并没有完全遵循太赫兹场的节奏，而是在更复杂的路径上振荡，这是材料不寻常的电子结构的结果。结果，电子以原始频率的奇数整数倍发射出新的太赫兹脉冲——这是一种类似于钢琴的非线性效应：当你敲击键盘上的a键时，乐器不仅会发出你弹奏的键的声音，还会发出丰富的泛音频谱，即谐波。

这种现象对许多未来的应用前景看好，例如在无线通信领域，无线通信的发展趋势是越来越高的无线电频率，可以传输比现在的传统信道多得多的数据。业界目前正在推出5G标准。Dirac材料制成的组件有朝一日可能会使用更高的频率，从而实现比5G更大的带宽。这类新材料似乎对未来的计算机也很感兴趣，因为基于Dirac的组件理论上可以比当今的硅基技术提供更高的时钟速率。

但首先，其背后的基础科学需要进一步研究。“我们的研究结果只是第一步，王哲强调在我们能够设想具体的应用之前，我们需要提高新材料的效率。”为此，专家们想知道他们如何通过施加电流来控制倍频。他们还想对样品进行掺杂，即用外来原子对样品进行富集，以期优化非线性频率转换。

作者为S.Kovalev等人，《三维Dirac半金属Cd₃As₂中的非微扰太赫兹高次谐波产生》：自然通信，2020年 .