Ny teori for detektion af terahertz elektromagnetiske bølger giver håb om fremskridt inden for IT og medicin

Detektering af elektromagnetiske bølger i terahertz-frekvensområdet er fortsat et udfordrende problem. Forskere fra University of Cambridge har sammen med fysikere fra University of Augsburg for nylig opdaget en ny fysisk effekt, som kan ændre det. I en ny undersøgelse udvikler forskerne nu en teori, der forklarer mekanismen bag. Deres resultater gør det muligt at konstruere små, billige og meget følsomme terahertz-detektorer. Disse kan for eksempel bruges i medicinsk diagnostik, til kontaktløse sikkerhedstjek eller til hurtigere trådløs datatransmission. Resultaterne af den nye teori er blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review B .

Når røntgen- eller UV-stråler falder på en metaloverflade, slår de elektroner ud af materialet. Denne "fotoelektriske effekt" kan danne grundlag for detektorer, der detekterer tilstedeværelsen af ​​elektromagnetiske bølger.

I en let modificeret form bruges en lignende effekt i optagelseschips af digitale kameraer eller i solceller. Disse reagerer på synligt og infrarødt lys. Dens energi er dog væsentligt lavere end UV-strålingen og er derfor utilstrækkelig til at frigive elektroner fra materialet. I stedet kan strålingen ændre de elektriske egenskaber af halvlederstrukturer, som normalt er dårlige ledere. Når de udsættes for lys, bliver de på den anden side ledende eller kan endda generere spændinger.

Energien af ​​terahertz-stråling er endnu lavere end for synligt eller infrarødt lys. THz-stråling giver normalt ikke nok energi, selv til at excitere elektroner i halvledere. I øjeblikket findes der flere typer detektorer for terahertz-stråling, men der kræves stadig mere effektive, billige og kompakte THz-detektorer. Derfor fortsætter forskere med at lede efter alternative fysiske principper til at detektere terahertz-stråling.

"For nylig har vi sammen med kolleger fra Storbritannien opdaget en ny fysisk effekt, der tillader konstruktionen af ​​meget følsomme detektorer," forklarer Dr. Sergey Mikhailov fra Institut for Fysik ved Universitetet i Augsburg. "Den er baseret på halvledermaterialer med en todimensionel elektrongas - et tyndt ledende lag, der dannes under halvlederoverfladen. Under visse forhold kan en type fotoelektrisk effekt observeres selv ved terahertz-frekvenser i en sådan struktur. Når denne halvleder struktur belyses af elektromagnetiske bølger, der genereres en strøm i den todimensionelle elektrongas i en retning parallelt med halvlederoverfladen."

I deres nuværende arbejde har forskerne udviklet en teori om denne "in-plane fotoelektriske effekt", som forklarer mekanismen mere detaljeret. Forskellige forudsigelser kan udledes af deres resultater. Eksempelvis bør det ud fra effekten være muligt at konstruere detektorer, der er følsomme over for hele terahertzområdet (stråling med frekvenser mellem 0,1 og 10 terahertz eller med bølgelængder mellem 3 og 0,03 millimeter). "Dette er et område, hvor enhver ny detektionsmekanisme er af stor værdi," siger Mikhailov. Teoretisk set burde det også være muligt at konstruere detektorer, der reagerer på meget lave strålingsintensiteter.

Disse kan bruges i forskellige applikationer. For eksempel kunne hudkræftceller nemt opdages ved hjælp af terahertz-stråling. Sådanne detektorer kan også bruges til at finde de mindste mængder narkotika eller eksplosivt materiale ved sikkerhedskontrolpunkter. Derudover svinger terahertz-bølger frem og tilbage hurtigere end den elektromagnetiske stråling, der i øjeblikket bruges i mobilkommunikation. Af denne grund kan de transmittere betydeligt mere information på samme tid. De nye detektorer kunne derfor give et hastighedsløft til det mobile internet. + Udforsk yderligere

Et skridt nærmere at gøre terahertz-teknologi anvendelig i den virkelige verden