Underudnyttet del af det elektromagnetiske spektrum får optisk boost fra metamateriale

Terahertz -stråling, eller T-stråler, er næsten ikke blevet udnyttet i forhold til det meste af resten af ​​det elektromagnetiske spektrum. Alligevel har T-stråler potentielt applikationer i næste generations trådløs kommunikation (6G/7G), sikkerhedssystemer, biomedicin, og endda kunsthistorie. En ny enhed til styring af T-stråler ved hjælp af en specialdesignet 'metasurface' med egenskaber, der ikke findes i naturen, kunne begynde at realisere dette potentiale.

Resultaterne offentliggøres i det peer-reviewed journal Optik Express den 13. juli, 2020.

'Terahertz-hullet' er et begreb, der bruges af ingeniører til at beskrive, hvor meget lidt teknologi der findes, der gør brug af frekvensbåndet i det elektromagnetiske spektrum, der ligger mellem mikrobølger og infrarød stråling:terahertz-stråling (også kaldet T-stråler).

Selvom det er ligetil at generere og manipulere mikrobølger og infrarød stråling, praktiske teknologier, der fungerer ved stuetemperatur, og som er i stand til at gøre det samme med T-stråler, er ineffektive og upraktiske. Det er en stor skam, da egenskaberne af T-stråler ville gøre dem yderst nyttige, hvis vi virkelig kunne udnytte dem.

T-stråler kan trænge igennem uigennemsigtige genstande som røntgenstråler, men de er ikke-ioniserende, så meget mere sikkert. De kan også gå gennem tøj, træ, plast, og keramik, så er af interesse for sikkerheds- og overvågningssektoren for realtidsbilleddannelse til at identificere skjulte kanoner eller sprængstoffer. Af samme grund, terahertz strålingsapplikationer er også lovende for kulturarvsvidenskab, at tilbyde kunsthistorikere og museer en mulighed for stråling uden risiko for undersøgelse af artefakter lige fra malerier til mumier.

Terahertz teknologi, der tillader generation, opdagelse, og anvendelse af terahertz -bølger har taget fart i det sidste årti eller deromkring, lukke terahertz -hullet noget. Men ydeevnen og dimensionerne af konventionelle optiske komponenter, der er i stand til at manipulere terahertz -bølger, har ikke fulgt med denne hurtige udvikling. En grund er manglen på naturligt forekommende materialer, der er egnede til terahertz -bølgebåndet.

Imidlertid, forskere ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) ledet af lektor og terahertz-bølgeingeniør Takehito Suzuki har for nylig udviklet en optisk komponent, der lettere kan manipulere T-stråler og praktisk-ved at bruge et materiale, der ikke forekommer i naturen.

Konventionelt, en kollimator - en enhed, der indsnævrer stråler eller bølger, typisk bestående af en buet linse eller et spejl-der kan manipulere T-stråler er en omfangsrig tredimensionel struktur lavet af naturligt forekommende materialer.

Men TUAT -forskere Takehito Suzuki, Kota Endo, og Satoshi Kondoh har udtænkt en kollimator som et ultratyndt (2,22 mikrometer) plan fremstillet af en 'metasurface'-et materiale, der er konstrueret til at have egenskaber, der er umulige eller svære at finde i naturen. Disse egenskaber kommer ikke fra det metal- eller plastbasiske grundstof, de er sammensat af, men i stedet fra materialets geometri og arrangement i bittesmå gentagne mønstre, der kan bøje elektromagnetiske bølger på en måde, som naturlige stoffer ikke kan.

I dette tilfælde, materialet har et ekstremt højt brydningsindeks (hvor langsomt lys bevæger sig igennem det) og lav reflektans (andel lys reflekteret efter at have ramt en overflade). Kollimatoren består af 339 par meta-atomer arrangeret således, at brydningsindekset koncentrisk stiger udefra til midten af ​​enheden.

"Metasurface -designet er uden fortilfælde, "sagde Suzuki, "leverer en meget højere ydelse, der skal fremskynde udviklingen af ​​en lang række applikationer, herunder næste generations trådløs kommunikation (6G/7G) og endda termisk strålingsstyringsenheder. "