Musik går terahertz

Et internationalt forskerhold fra Tyskland, Italien, og U.K. har udviklet en nøglefotonikkomponent til terahertz-spektralområdet. Ved at blande elektroniske resonanser i halvledernanostrukturer med fotonfeltet i mikroresonatorer, de designede et farvet spejl, der bleges nemmere end nogensinde og kunne gøre terahertz-lasere ultrahurtige. Resultaterne er offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturkommunikation .

Terahertz-stråling - ofte kaldet T-stråler - markerer en af ​​de sidste grænser inden for fotonik. Placeret i spektralrummet mellem mikrobølgeelektronik og infrarød optik, T-stråler tilbyder et enormt anvendelsespotentiale, men de har været dyre at generere. De første bredt tilgængelige terahertz-applikationer spænder fra kropsscannere i lufthavne og hurtig gassensing til ultrahurtig kommunikation. Mange flere ideer kunne komme på markedet, hvis ultrakorte pulser kunne genereres direkte i såkaldte kvantekaskadelasere, specielle typer elektrisk drevne, kompakte terahertz lasere. Disse kilder fungerer typisk i kontinuerlig bølgetilstand, men det er blevet udbredt forudsagt, at de kunne ændre sig til pulserende drift, hvis et nøglefotonikelement blev inkorporeret i laseren - en såkaldt mættelig absorber.

En mættende absorber fungerer som et tåget spejl, der forbigående bliver klart, hvis det indfaldende lys bliver for stærkt. Hvis al kraften inde i en laser koncentreres i en kort puls, ville den let mætte absorberen og lide mindre tab end en kontinuerlig bølgestråle. Sådanne elementer er let tilgængelige i optik, hvorimod de i terahertz-domænet kun har eksisteret for upraktisk intens stråling, ikke opnåelig med kvantekaskadelasere. Et europæisk konsortium dannet af forskningsgrupperne af Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Leeds, og Rupert Huber, Universitetet i Regensburg, er nu gået sammen om at udvikle en ny klasse af mættende absorbere, der opererer ved meget lavere mætningsintensiteter.

Deres nye idé er inspireret af en strategi, der er velkendt i musikken:resonatorer. Hvor får et Steinway-klaver sin unikke lyd fra? Hemmeligheden er mindre i strengene end i den resonerende krop. Det er her den nøjagtige lyd defineres og dens dynamiske respons på et forte-tastetryk. "Vi overfører i det væsentlige denne idé til terahertz-optik, siger Jürgen Raab, hovedforfatter til manuskriptet. Miriam Vitiellos gruppe designede en mikrostruktureret samling af et guldspejl og et guldgitter, der tilsammen fungerer som et resonanslegeme for terahertz-stråling. Disse resonanser kan kobles stærkt med elektroner, der kan hoppe mellem to kvantetilstande defineret af en atomisk præcis sekvens af halvledende nanostrukturer, designet og dyrket i gruppen af ​​Edmund Linfield.

Pivot:Den stærke kobling mellem elektronerne og terahertz-mikrohulrummet resulterer i en excitation, der er halvelektron, halv terahertz foton. Denne situation former ikke kun "tonen" af resonansen, men det ændrer også dramatisk den måde, systemet reagerer på et "forte-tastetryk, " svarende til en intens terahertz-puls. Gruppen satte den nye terahertz Steinway på sin ultimative prøve. I et specialdesignet setup i Regensburg, de fokuserede en ultrakort terahertz-impuls på den mættede absorber og udviklede et ekstremt slowmotion-kamera til at følge dets mætningsdynamik på femtosekunds tidsskala - den milliontedel af en milliardtedel af et sekund.

Det fantastiske resultat:Absorberen var ikke kun meget lettere at mætte end den elektroniske overgang alene, cirka en størrelsesorden. Det mætter også hurtigere end en enkelt oscillationscyklus af terahertz-impulsen, og "tonen" af resonatoren forvandles så godt under mætningsprocessen, at der i det væsentlige ikke er nogen absorption tilbage, mens den intense THz-impuls påføres. Disse er de bedst mulige gener af mættende absorbere. Miriam Vitiello er overbevist:"Nu har vi alle komponenter ved hånden til at bygge ultrahurtige terahertz kvantekaskadelasere med mættelige absorbere."

En sådan kilde kunne dramatisk udvide omfanget af terahertz-fotonik. Overgår frekvensen af ​​moderne computere med en svimlende faktor på 1000, ultrakorte terahertz-impulser kan danne rygraden i revolutionerende næste generations telekommunikationsforbindelser. Kompakte kvantekaskadelasere, udsender ultrakorte T-stråler, kan også give mulighed for at booste kemiske analyser og muliggøre en enorm variation af applikationer inden for diagnostik og medicin. Med de nuværende resultater, en vigtig milepæl mod disse modige mål er nået.