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

Forskere har opdaget i todimensionelle ledende systemer en ny effekt, der lover forbedret ydeevne af terahertz-detektorer.

Et team af forskere ved Cavendish Laboratory har sammen med kolleger ved universiteterne i Augsburg (Tyskland) og Lancaster fundet en ny fysisk effekt, når todimensionelle elektronsystemer udsættes for terahertzbølger.

Først og fremmest, hvad er terahertz-bølger? "Vi kommunikerer ved hjælp af mobiltelefoner, der transmitterer mikrobølgestråling og bruger infrarøde kameraer til nattesyn. Terahertz er den type elektromagnetisk stråling, der ligger mellem mikrobølge- og infrarød stråling," forklarer prof. David Ritchie, leder af Semiconductor Physics Group ved Cavendish Laboratory fra University of Cambridge, "men i øjeblikket er der mangel på kilder og detektorer for denne type stråling, som ville være billige, effektive og nemme at bruge. Dette hindrer den udbredte brug af terahertz-teknologi."

Forskere fra Semiconductor Physics-gruppen var sammen med forskere fra Pisa og Torino i Italien de første til i 2002 at demonstrere driften af ​​en laser ved terahertz-frekvenser, en kvantekaskadelaser. Siden da har gruppen fortsat med at forske i terahertz-fysik og -teknologi og undersøger og udvikler i øjeblikket funktionelle terahertz-enheder, der inkorporerer metamaterialer til at danne modulatorer, såvel som nye typer detektorer.

Hvis manglen på brugbare enheder blev løst, kunne terahertz-stråling have mange nyttige anvendelser inden for sikkerhed, materialevidenskab, kommunikation og medicin. For eksempel tillader terahertz-bølger billeddannelse af kræftvæv, der ikke kunne ses med det blotte øje. De kan bruges i nye generationer af sikre og hurtige lufthavnsscannere, der gør det muligt at skelne medicin fra illegale stoffer og sprængstoffer, og de kunne bruges til at muliggøre endnu hurtigere trådløs kommunikation ud over det nyeste.

Så hvad handler den nylige opdagelse om? "Vi var ved at udvikle en ny type terahertz-detektor," siger Dr. Wladislaw Michailow, Junior Research Fellow ved Trinity College Cambridge, "men da vi målte dens ydeevne, viste det sig, at den viste et meget stærkere signal, end man teoretisk kunne forvente. Så vi kom med en ny forklaring."

Denne forklaring, som forskerne siger, ligger i den måde, hvordan lys interagerer med stof. Ved høje frekvenser absorberer stof lys i form af enkelte partikler - fotoner. Denne fortolkning, først foreslået af Einstein, dannede grundlaget for kvantemekanikken og forklarede den fotoelektriske effekt. Denne kvantefotoexcitation er, hvordan lys detekteres af kameraer i vores smartphones; det er også det, der genererer elektricitet fra lys i solceller.

Den velkendte fotoelektriske effekt består af frigivelse af elektroner fra et ledende materiale - et metal eller en halvleder - ved indfaldende fotoner. I det tredimensionelle tilfælde kan elektroner udstødes i vakuum af fotoner i ultraviolet- eller røntgenområdet eller frigives til et dielektrikum i det mellem-infrarøde til synlige område. Det nye er opdagelsen af ​​en kvantefotoexcitationsproces i terahertz-området, svarende til den fotoelektriske effekt. "Det faktum, at sådanne effekter kan eksistere inden for stærkt ledende, todimensionelle elektrongasser ved meget lavere frekvenser, er ikke blevet forstået indtil videre," forklarer Wladislaw, førsteforfatter af undersøgelsen, "men vi har været i stand til at bevise dette eksperimentelt." Den kvantitative teori om effekten blev udviklet af en kollega fra University of Augsburg, Tyskland, og det internationale hold af forskere offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Science Advances .

Forskerne navngav fænomenet i overensstemmelse hermed, en "i-plan fotoelektrisk effekt." I det tilsvarende papir beskriver forskerne flere fordele ved at udnytte denne effekt til terahertz-detektion. Især størrelsen af ​​fotorespons, der genereres af indfaldende terahertz-stråling af den "in-plane fotoelektriske effekt" er meget højere end forventet fra andre mekanismer, som hidtil har været kendt for at give anledning til en terahertz-fotorespons. Således forventer forskerne, at denne effekt vil muliggøre fremstilling af terahertz-detektorer med væsentligt højere følsomhed.

"Dette bringer os et skridt tættere på at gøre terahertz-teknologien anvendelig i den virkelige verden," konkluderer Prof Ritchie. + Udforsk yderligere

Resonant tunneling diode oscillatorer til terahertz-bølge detektion