Forskere udvikler ultratynd terahertz-kilde

Fysikere fra University of Sussex har udviklet en ekstremt tynd, halvlederoverfladekilde med stort areal til terahertz, sammensat af kun få atomlag og kompatibel med eksisterende elektroniske platforme.

Terahertz-kilder udsender korte lysimpulser, der svinger med 'billion af gange i sekundet'. I denne skala, de er for hurtige til at blive håndteret af standardelektronik, og, indtil for nylig, for langsom til at blive håndteret af optiske teknologier. Dette har stor betydning for udviklingen af ​​ultrahurtige kommunikationsenheder over 300GHz-grænsen – såsom den, der kræves til 6G mobiltelefonteknologi – noget der stadig er fundamentalt ud over grænsen for nuværende elektronik.

Forskere i Emergent Photonics (EPic) Lab i Sussex, ledet af direktøren for Emergent Photonics (EPic) Lab Professor Marco Peccianti, er førende inden for overflade-terahertz-emissionsteknologi, der har opnået de lyseste og tyndeste overfladehalvlederkilder, der er demonstreret hidtil. Emissionsregionen for deres nye udvikling, en halvlederkilde til terahertz, er 10 gange tyndere end tidligere opnået, med sammenlignelige eller endnu bedre præstationer.

De tynde lag kan placeres oven på eksisterende objekter og enheder, hvilket betyder, at de er i stand til at placere en terahertz-kilde på steder, der ellers ville have været utænkelige, inklusive hverdagsgenstande såsom en tekande eller endda et kunstværk – hvilket åbner op for et enormt potentiale for anti-forfalskning og 'tingenes internet' – såvel som tidligere inkompatibel elektronik, såsom en næste generations mobiltelefon.

Dr. Juan S. Totero Gongora, Leverhulme Early Career Fellow ved University of Sussex, sagde:"Fra et fysikperspektiv, vores resultater giver et længe søgt svar, der går tilbage til den første demonstration af terahertz-kilder baseret på to-farve lasere. Halvledere er meget udbredt i elektroniske teknologier, men er for det meste forblevet uden for rækkevidde for denne type terahertz-genereringsmekanisme. Vores resultater åbner derfor op for en lang række spændende muligheder for terahertz -teknologier. "

Dr. Luke Peters, Forskningsstipendiat i European Research Council-projektet TIMING ved University of Sussex, sagde:"Ideen om at placere terahertz-kilder på utilgængelige steder har stor videnskabelig appel, men er i praksis meget udfordrende. Terahertz-stråling kan have en superlativ rolle i materialevidenskab, life science og sikkerhed. Alligevel, det er stadig fremmed for det meste af den eksisterende teknologi, herunder enheder, der taler til hverdagsgenstande som en del af det hastigt voksende 'tingenes internet'. Dette resultat er en milepæl i vores rute for at bringe terahertz-funktioner tættere på vores hverdag."

Ligger mellem mikrobølger og infrarød i det elektromagnetiske spektrum, terahertz -bølger er en form for stråling meget efterspurgt inden for forskning og industri. De har en naturlig evne til at afsløre materialesammensætningen af ​​en genstand ved let at trænge ind i almindelige materialer som papir, tøj og plastik på samme måde som røntgenstråler, men uden at være skadeligt.

Terahertz-billeddannelse gør det muligt at 'se' den molekylære sammensætning af objekter og skelne mellem forskellige materialer. Tidligere udviklinger fra Prof Pecciantis team viste de potentielle anvendelser af terahertz-kameraer, som kunne være transformerende inden for lufthavnssikkerhed, og medicinske scannere - såsom dem, der bruges til at opdage hudkræft.

En af de største udfordringer for forskere, der arbejder med terahertz-teknologi, er, at det, der almindeligvis accepteres som en 'intens terahertz-kilde', er svagt og omfangsrigt sammenlignet med, for eksempel, en pære. I mange tilfælde, behovet for meget eksotiske materialer, såsom ikke-lineære krystaller, gør dem uhåndterlige og dyre. Dette krav giver logistiske udfordringer for integration med andre teknologier, såsom sensorer og ultrahurtig kommunikation.

Sussex-teamet har overvundet disse begrænsninger ved at udvikle terahertz-kilder fra ekstremt tynde materialer (ca. 25 atomlag). Ved at belyse en halvleder af elektronisk kvalitet med to forskellige typer laserlys, hver svinger med forskellig frekvens eller farve, de var i stand til at fremkalde udsendelse af korte udbrud af Terahertz -stråling.

Dette videnskabelige gennembrud har været længe søgt af forskere, der arbejder på området siden den første demonstration af terahertz-kilder baseret på to-farve lasere i begyndelsen af ​​2000'erne. Tofarvede terahertzkilder baseret på specielle blandinger af gas, såsom nitrogen, argon eller krypton, er blandt de bedst ydende kilder til rådighed i dag. Halvledere, udbredt i elektroniske teknologier, har stort set været uden for rækkevidde for denne type terahertz-genereringsmekanisme.