Forskerteam præsenterer en ny sender til terahertz -bølger

Terahertz -bølger bliver stadig vigtigere inden for videnskab og teknologi. De gør det muligt for os at opklare egenskaberne af fremtidige materialer, teste kvaliteten af ​​bilmaling og konvolutter til skærm. Men at generere disse bølger er stadig en udfordring. Et team på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden og universitetet i Konstanz har nu gjort betydelige fremskridt. Forskerne har udviklet en germanium -komponent, der genererer korte terahertz -pulser med en fordelagtig egenskab:impulserne har et ekstremt bredbåndsspektrum og leverer dermed mange forskellige terahertz -frekvenser på samme tid. Da det har været muligt at fremstille komponenten ved hjælp af metoder, der allerede er brugt i halvlederindustrien, udviklingen lover en bred vifte af applikationer inden for forskning og teknologi, som teamet rapporterer i journalen Lys:Videnskab og applikationer .

Ligesom lys, terahertz -bølger er kategoriseret som elektromagnetisk stråling. I spektret, de falder lige mellem mikrobølger og infrarød stråling. Men mens mikrobølger og infrarød stråling for længst er trådt ind i vores hverdag, terahertz -bølger er kun lige begyndt at blive brugt. Årsagen er, at eksperter kun har været i stand til at konstruere rimeligt acceptable kilder til terahertz -bølger siden begyndelsen af ​​2000'erne. Men disse sendere er stadig ikke perfekte - de er relativt store og dyre, og strålingen, de udsender, har ikke altid de ønskede egenskaber.

En af de etablerede generationsmetoder er baseret på en gallium-arsenidkrystal. Hvis denne halvlederkrystal bestråles med korte laserpulser, galliumarsenidladningsbærere dannes. Disse ladninger accelereres ved at anvende spænding, der håndhæver dannelsen af ​​en terahertz -bølge - stort set den samme mekanisme som i en VHF -sendermast, hvor ladninger i bevægelse producerer radiobølger.

Imidlertid, denne metode har en række ulemper:"Den kan kun betjenes med relativt dyre speciallasere, "forklarer HZDR-fysikeren Dr. Harald Schneider." Med standardlasere af den type, vi bruger til fiberoptisk kommunikation, Det virker ikke. "En anden mangel er, at gallium-arsenidkrystaller kun leverer relativt smalle bånd terahertz-pulser og dermed et begrænset frekvensområde-hvilket markant begrænser anvendelsesområdet.

Ædelmetalimplantater

Derfor satser Schneider og hans team på et andet materiale - halvleder germanium. "Med germanium kan vi bruge billigere lasere kendt som fiberlasere, "siger Schneider." Desuden germaniumkrystaller er meget gennemsigtige og letter dermed udsendelsen af ​​meget bredbåndspulser. "Men, indtil nu, de har haft et problem:Hvis du bestråler rent germanium med en kort laserpuls, det tager flere mikrosekunder, før den elektriske ladning i halvlederen forsvinder. Først da kan krystallen absorbere den næste laserpuls. Dagens lasere, imidlertid, kan affyre deres pulser med intervaller på et par dusin nanosekunder - en række skud alt for hurtigt til germanium.

For at overvinde denne vanskelighed, eksperter søgte efter en måde at få de elektriske ladninger i germanium til at forsvinde hurtigere. Og de fandt svaret i et fremtrædende ædelmetal - guld. "Vi brugte en ionaccelerator til at skyde guldatomer ind i en germaniumkrystal, "forklarer Schneiders kollega, Dr. Abhishek Singh. "Guldet trængte ind i krystallen til en dybde på 100 nanometer." Forskerne opvarmede derefter krystallen i flere timer ved 900 grader Celsius. Varmebehandlingen sørgede for, at guldatomerne blev jævnt fordelt i germaniumkrystal.

Succesen startede, da teamet belyste det pebrede germanium med ultrakorte laserpulser:i stedet for at hænge rundt i krystallen i flere mikrosekunder, de elektriske ladningsbærere forsvandt igen på under to nanosekunder - cirka tusinde gange hurtigere end før. I overført betydning, guldet fungerer som en fælde, hjælper med at fange og neutralisere afgifterne. "Nu kan germaniumkrystallet bombarderes med laserpulser ved en høj gentagelseshastighed og stadig fungere, "Singh er glad for at kunne rapportere.

Billig fremstilling mulig

Den nye metode letter terahertz-pulser med en ekstremt bred båndbredde:i stedet for 7 terahertz ved hjælp af den etablerede gallium-arsenidteknik, den er nu ti gange større - 70 terahertz. ”Vi får en bred, sammenhængende, spalteløst spektrum i ét slag ", Harald Schneider begejstret. "Det betyder, at vi har en virkelig alsidig kilde ved hånden, der kan bruges til de mest forskellige applikationer." En anden fordel er, at effektivt, germanium -komponenter kan behandles med den samme teknologi, der bruges til mikrochips. "I modsætning til galliumarsenid, germanium er silicium kompatibelt, "Schneider bemærker." Og da de nye komponenter kan betjenes sammen med standard fiberoptiske lasere, du kunne gøre teknologien temmelig kompakt og billig. "

Dette skulle gøre guld-dopet germanium til en interessant mulighed ikke kun til videnskabelige anvendelser, såsom den detaljerede analyse af innovative todimensionale materialer såsom grafen, men også til applikationer inden for medicin og miljøteknologi. Man kunne forestille sig sensorer, for eksempel, der sporer visse gasser i atmosfæren ved hjælp af deres terahertz -spektrum. Dagens terahertz -kilder er stadig for dyre til formålet. De nye metoder, udviklet i Dresden-Rossendorf, kunne være med til at gøre miljøsensorer som denne meget billigere i fremtiden.