På vej mod at mestre terahertz-bølger?

Terahertz-bølgerne spænder over frekvensområder mellem det infrarøde spektrum (brugt, for eksempel, til nattesyn) og gigahertz-bølger (som finder deres anvendelse, blandt andet, i Wi-Fi-forbindelser). Terahertz-bølger gør det muligt at detektere materialer, der ikke kan detekteres ved andre frekvenser. Imidlertid, brugen af ​​disse bølger er stærkt begrænset af fraværet af passende anordninger og materialer, der gør det muligt at kontrollere dem. Forskere ved Universitetet i Genève (UNIGE), arbejder med Federal Polytechnic School i Zürich (ETHZ) og to spanske forskerhold, har udviklet en teknik baseret på brugen af ​​grafen, som muliggør en potentielt meget hurtig kontrol af både intensiteten og polariseringen af ​​terahertz-lys. Denne opdagelse, præsenteret i Naturkommunikation , baner vejen for praktisk brug af terahertz-bølger, især til billedbehandling og telekommunikation.

Grafen er et enkelt atomlag af kulstofatomer, der danner et bikagenetværk. Det findes for eksempel i grafit, hovedbestanddelen af ​​blyantstænger. I Institut for Kvantestoffysik på UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet, Alexey Kuzmenkos team har arbejdet på grafens fysiske egenskaber i flere år. "Samspillet mellem terahertz-stråling og elektronerne i grafen er meget stærk, og vi er derfor kommet til den hypotese, at det burde være muligt at bruge grafen til at styre terahertz-bølger, " forklarer Kuzmenko.

Arbejder inden for rammerne af det europæiske projekt Graphene Flagship, forskere har lavet en grafen-baseret transistor tilpasset terahertz-bølger. "Ved at kombinere det elektriske felt, som sætter os i stand til at kontrollere antallet af elektroner i grafen og dermed tillader mere eller mindre lys at passere igennem, med magnetfeltet, som bøjer de elektroniske baner, vi har været i stand til at kontrollere ikke kun intensiteten af ​​terahertz-bølgerne, men også deres polarisering, " kommenterer Jean-Marie Poumirol, medlem af UNIGEs forskningsteam og førsteforfatter til undersøgelsen. "Det er sjældent, at rent elektriske effekter bruges til at kontrollere magnetiske fænomener." Forskere er nu i stand til at anvende en sådan kontrol over et komplet udvalg af terahertz-frekvenser.

Praktiske anvendelser af terahertz-bølger

I dag, UNIGE forskerholdets fokus er at gå videre fra prototypen, og udvikle praktiske applikationer og nye muligheder ved at kontrollere terahertz-bølger. Deres mål er at gøre terahertz-bølger industrielt konkurrencedygtige i de næste par år. Der er to hovedanvendelsesområder for denne innovation, den første er kommunikation. "Ved at bruge en film af grafen forbundet med terahertz-bølger, vi skulle potentielt være i stand til at sende fuldt sikret information med hastigheder på omkring 10 til 100 gange hurtigere end med Wi-Fi eller radiobølger, og gør det sikkert over korte afstande, " forklarer Poumirol. Dette ville give en betydelig fordel inden for telekommunikation. Det andet anvendelsesområde er billeddannelse. At være ikke-ioniserende, terahertz-bølger ændrer ikke DNA og er derfor meget nyttige i medicin, biologi og farmaci. Derudover kontrollen af ​​den cirkulære polarisering af terahertz-bølgerne vil tillade skelnen mellem forskellige symmetrier (venstrehåndet eller højrehåndet) af biologiske molekyler, hvilket er en meget vigtig egenskab i medicinske applikationer. Desuden, der er potentielt en meget kraftfuld anvendelse af disse bølger i hjemlandets sikkerhed. Kuzmenko fortsætter, "Terahertz-bølger stoppes af metaller og er følsomme over for plastik og organisk materiale. Dette kan føre til mere effektive metoder til at opdage skydevåben, narkotika og sprængstoffer båret af enkeltpersoner, og kunne måske tjene som et værktøj til at styrke lufthavnssikkerheden."