将信号从一种频率转换为另一种频率的能力是各种技术的关键，特别是在电信领域，例如，电子设备处理的数据通常作为光信号通过玻璃纤维传输。为了实现更高的数据传输速率，未来的6G无线通信系统将需要将100千兆赫以上的载波频率扩展到太赫兹范围。太赫兹波是介于微波和红外光之间的电磁波谱的一部分。然而，太赫兹波只能用于在非常有限的距离内无线传输数据。“因此，需要一种快速可控的机制将太赫兹波转换为可见光或红外光，这些光可以通过光纤传输。成像和传感技术也可以从这种机制中受益，”HZDR辐射物理研究所的Igor Ilyakov博士说。

到目前为止，缺少的是一种能够将光子能量上转换约1000倍的材料。该团队直到最近才发现所谓的狄拉克量子材料(如石墨烯和拓扑绝缘体)对太赫兹光脉冲的强烈非线性响应。“这表现在高效产生高谐波，即具有原始激光频率的数倍的光。这些谐波仍然在太赫兹范围内，然而，也有第一次观察到石墨烯在红外和太赫兹激发下的可见光发射，”HZDR辐射物理研究所的Sergey Kovalev博士回忆道。“到目前为止，这种效应效率极低，其潜在的物理机制尚不清楚。”

背后的机制

新的结果为这一机制提供了物理解释，并展示了如何通过使用高掺杂石墨烯或使用光栅-石墨烯超材料(一种具有特殊光学，电学或磁性的定制结构的材料)来强烈增强光发射。研究小组还观察到，这种转换发生得非常快——在亚纳秒的时间尺度上，并且可以通过静电门控来控制。

“我们将石墨烯中的光频率转换归因于太赫兹诱导的热辐射机制，即电荷载流子从入射太赫兹场中吸收电磁能。吸收的能量在物料中迅速分布，导致载流子发热;最后，这导致可见光光谱中的光子发射，就像任何加热物体发出的光一样，”ICN2纳米级系统超快动力学小组和埃因霍温理工大学的Klaas-Jan Tielrooij教授解释说。

石墨烯基材料实现太赫兹到可见光转换的可调性和速度在信息和通信技术中具有巨大的应用潜力。潜在的超快热力学机制肯定会对太赫兹到电信的互连产生影响，以及任何需要超快频率转换信号的技术。