更高的频率意味着更快的数据传输速度和更强大的处理器，然而，从技术上讲，要不断提高时钟频率和射频频率并不容易。现在，新材料可以解决这个问题。德国亥姆霍兹联合会德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）的实验已经取得了令人鼓舞的结果：一个国际研究小组在《Nature Communications》杂志上报道，该小组的研究人员开发了一种新型材料，能够将太赫兹辐射闪光的频率提高7倍，为潜在的IT应用迈出了第一步。
当智能手机接收数据和计算机芯片执行计算时，这类过程总是涉及到交变电场，将电子沿着明确规定的路径发送。更高的电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，这也是为什么全世界的研究人员都热衷于了解太赫兹电场如何与新型材料相互作用的原因。"我们在HZDR的TELBE太赫兹设施是详细研究这些相互作用并确定有前景的材料的重要来源，"HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert说。"一个可能的候选材料是砷化镉。"
这位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了这种化合物。砷化镉(Cd3As2)属于所谓的三维Dirac材料组，在这种材料中，电子可以非常快速、有效地相互作用，同时也可以与快速振荡的交变电场相互作用。"我们对砷化镉是否也能以新的、更高的频率发射太赫兹辐射特别感兴趣，"TELBE光束线科学家Sergey Kovalev解释道。"我们已经在石墨烯这种二维Dirac材料中非常成功地观察到了这一点。" 研究人员怀疑，砷化镉的三维电子结构将有助于在这种转换中实现高效率。
为了测试这一点，专家们使用了一种特殊的工艺，用砷化镉制成超薄高纯度的板，然后对其进行太赫兹脉冲检测。在板背面的探测器记录了砷化镉对辐射脉冲的反应情况。"我们发现，砷化镉作为一种高效的频率倍增器，即使在TELBE产生的非常强的太赫兹脉冲下也不会失去效率，"前HZDR研究员、现就职于科隆大学的Zhe Wang报告说。该实验是有史以来第一次证明了在这种仍然年轻的材料类中，太赫兹频率倍增到第七次谐波。
除了实验外，该团队与马克斯-普朗克复杂系统物理研究所的研究人员一起，还提供了详细的理论描述。太赫兹脉冲击中砷化镉的太赫兹脉冲会产生一个强电场。"这个电场加速了材料中的自由电子，"Deinert描述道。"就像大量的小钢粒在一块板子上滚来滚去，而这块板子正以极快的速度从一边向另一边倾斜。"
砷化镉材料中的电子会对这种加速度做出反应，发射出电磁辐射。最关键的是，它们并不完全遵循太赫兹场的节奏，而是在相当复杂的路径上振荡，这是该材料不寻常的电子结构的结果。因此，电子会以原始频率的奇数倍数发出新的太赫兹脉冲，这种非线性效应类似于钢琴。当你敲击键盘上的A键时，乐器不仅会发出你所弹奏的键，还能发出丰富的泛音，即谐波。
这一现象为未来的众多应用带来了希望，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，可以传输的数据量远远超过今天的传统信道。目前，业界正在推出5G标准。由Dirac材料制成的元件有一天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有兴趣，因为理论上，基于Dirac材料的组件可以促进比现在的硅技术更高的时钟速率。
但首先，其背后的基础科学还需要进一步研究。"我们的研究成果只是第一步。"Zhe Wang强调说。"在我们设想具体应用之前，我们需要提高新材料的效率。" 为此，专家们希望通过施加电流来控制频率的倍增效果。而且他们还将对样品进行掺杂，希望能够优化非线性频率转换。
论文标题为《Non-perturbative terahertz high-harmonic generation in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2》。