Terahertz -teknologien slipper for kulden

Terahertz (THz) stråling ligner lidt en skattekiste, der modstår at blive åbnet helt. Bor i det elektromagnetiske spektrum mellem de infrarøde og mikrobølgeområder, THz -stråling kombinerer en række egenskaber, der er ideelle med henblik på applikationer. Det giver et vindue til unik spektroskopisk information om molekyler og faste stoffer, det kan trænge igennem ikke-ledende materialer såsom tekstiler og biologisk væv, og det gør det uden at ionisere - og dermed beskadige - objektet, eller emne, under undersøgelse. Dette åbner spændende muligheder for ikke-invasiv billeddannelse og ikke-destruktiv kvalitetskontrol, blandt andre applikationer. Men selvom der ikke er mangel på ideer til potentielle anvendelser, deres implementering hæmmes af mangel på praktiske teknologier til generering og påvisning af THz -stråling.

Derfor spændingen som Lorenzo Bosco, Martin Franckié og kolleger fra gruppen af ​​Jérôme Faist ved Institute for Quantum Electronics i ETH Zürich rapporterede realiseringen af ​​en THz kvantekaskadelaser, der opererer ved en temperatur på 210 K (-63 ° C). Det er den højeste driftstemperatur, der hidtil er opnået for denne type enhed. Vigtigere, dette er første gang, at driften af ​​en sådan anordning er blevet demonstreret i et temperaturregime, hvor der ikke er behov for kryogene kølevæsker. I stedet, Bosco et al. brugte en termoelektrisk køler, som er meget mere kompakt, billigere og lettere at vedligeholde end kryogent udstyr. Med dette fremskridt, de fjernede de vigtigste forhindringer på ruten til forskellige praktiske anvendelser.

En kaskade mod applikationer

Quantum cascade lasers (QCLs) har længe været etableret som et naturligt koncept for THz -enheder. Ligesom mange lasere, der i vid udstrækning bruges som lyskilder i det synlige til infrarøde frekvensområde, QCL'er er baseret på halvledermaterialer. Men sammenlignet med typiske halvlederlasere, der bruges, for eksempel, i stregkodelæsere eller laserpointer, QCL'er fungerer efter et fundamentalt anderledes koncept for at opnå lysemission. Kort sagt, de er bygget op omkring gentagne stakke af præcist konstruerede halvlederstrukturer (se figuren, panel c), som er designet således, at der finder passende elektroniske overgange sted i dem (panel d).

QCL'er blev foreslået i 1971, men blev først demonstreret først i 1994, af Faist og kolleger, derefter arbejder på Bell Laboratories (USA). Fremgangsmåden har bevist sin værdi i en bred vifte af eksperimenter, både grundlæggende og anvendt, hovedsageligt i den infrarøde region. Udviklingen af ​​QCL'er til THz -emission har gjort betydelige fremskridt, også, fra 2001. Udbredt brug er dog blevet hindret af kravet om kryogene kølevæsker - typisk flydende helium - hvilket tilføjer betydelig kompleksitet og omkostninger, og gør enheder store og mindre mobile. Fremskridt hen imod driften af ​​THz QCL'er ved højere temperaturer har i det væsentlige været fast på det tidspunkt for syv år siden, når drift af enheder ved omkring 200 K (-73 ° C) blev opnået.

Barrieren krydset

At nå 200 K var en imponerende bedrift. Den temperatur, imidlertid, er lige under mærket, hvor kryogene teknikker kunne erstattes med termoelektrisk køling. At rekordtemperaturen ikke bevægede sig siden 2012 betød også, at en slags 'psykologisk barriere' begyndte at stige - mange i feltet begyndte at acceptere, at THz QCL'er altid skulle fungere i forbindelse med en kryogen køler.

ETH -teamet har nu nedbrudt den barriere. Skriver ind Anvendt fysik bogstaver , de præsenterer en termoelektrisk afkølet THz QCL, kører ved temperaturer på op til 210 ° K. I øvrigt, det udsendte laserlys var stærkt nok til, at det kunne måles med en rumtemperaturdetektor. Det betyder, at hele opsætningen fungerede uden kryogen køling, yderligere at styrke tilgangen til praktiske anvendelser.

Bosco, Franckié og deres medarbejdere formåede at fjerne 'kølebarrieren' på grund af to relaterede resultater. Først, de brugte i designet af deres QCL -stakke den enkleste mulige enhedsstruktur, baseret på to såkaldte kvantebrønde pr. periode (se figuren, panel d). Denne tilgang har været kendt for at være en vej til højere driftstemperaturer, men samtidig er dette design med to brønde også ekstremt følsomt over for de mindste ændringer i geometrien i halvlederstrukturer. Optimering af ydeevne i forhold til en parameter kan føre til forringelse i forhold til en anden. Da systematisk eksperimentel optimering ikke er en levedygtig mulighed, de måtte stole på numerisk modellering.

Dette er det andet område, hvor gruppen har gjort betydelige fremskridt. I det seneste arbejde har de har fastslået, at de nøjagtigt kan simulere komplekse eksperimentelle QCL -enheder, ved hjælp af en tilgang kendt som nonequilibrium Greens funktionsmodel. Beregningerne skal udføres på en kraftfuld computerklynge, men de er effektive nok til, at de kan bruges til systematisk at søge efter optimale designs. Gruppens evne til præcist at forudsige enheders egenskaber - og til at fremstille enheder i henhold til præcise specifikationer - gav dem værktøjerne til at realisere en række lasere, der konsekvent arbejder ved temperaturer, der kunne nås med termoelektrisk køling (se figuren, panelerne a og b). Og tilgangen er på ingen måde opbrugt. Der findes ideer til at skubbe driftstemperaturen længere op i Faist -gruppen, og foreløbige resultater ser lovende ud.

Udfyldning af THz -hullet

Den første demonstration af en terahertz kvantekaskadelaser, der fungerer uden kryogen køling, udgør et vigtigt skridt i retning af at udfylde 'THz -hullet', som længe har eksisteret mellem de modne teknologier til mikrobølge- og infrarød stråling. Uden bevægelige dele eller cirkulerende væsker involveret, den slags termoelektrisk afkølede THz QCL'er, der nu er introduceret af ETH -fysikerne, kan lettere påføres og vedligeholdes uden for specialiserede laboratoriers rammer - løfte låget på 'THZ skattekisten' yderligere.