Nanorørbaseret terahertz-polarisator nærmer sig perfektion

(PhysOrg.com) - Forskere ved Rice University bruger kulstof nanorør som den kritiske komponent i en robust terahertz-polarisator, der kan accelerere udviklingen af ​​nye sikkerheds- og kommunikationsenheder, sensorer og ikke-invasive medicinske billeddannelsessystemer samt grundlæggende undersøgelser af lavdimensionelle kondenserede stofsystemer.

Polarisatoren udviklet af rislaboratoriet i Junichiro Kono, professor i elektroteknik og computerteknik og fysik og astronomi, er den mest effektive nogensinde rapporteret; det tillader selektivt 100 procent af en terahertz -bølge at passere eller blokerer 99,9 procent af den, afhængig af dens polarisering. Forskningen blev offentliggjort i onlineversionen af ​​tidsskriftet American Chemical Society, Nano bogstaver .

Bredbåndspolarisatoren håndterer bølger fra 0,5 til 2,2 terahertz, langt over rækken af ​​kommercielle polarisatorer, der består af skrøbelige gitre pakket ind i guld- eller wolframtråde.

Kono sagde, at teknologier, der gør brug af de optiske og elektriske områder af det elektromagnetiske spektrum, er modne og almindelige, som i lasere og teleskoper i den ene ende og computere og mikrobølger i den anden. Men indtil de seneste år, terahertz-regionen derimellem var stort set uudforsket. "I løbet af det sidste årti eller to, mennesker har gjort imponerende fremskridt, " han sagde, især i udviklingen af ​​sådanne strålingskilder som terahertz kvantekaskadelaseren.

"Vi har ret gode terahertz -emittere og detektorer, men vi har brug for en måde at manipulere lys på i dette område, " sagde Kono. "Vores arbejde er i denne kategori, at manipulere polarisationstilstanden - retningen af ​​det elektriske felt - af terahertz-stråling."

Terahertz -bølger eksisterer ved overgangen mellem infrarød og mikrobølger og har unikke kvaliteter. De er ikke skadelige og trænger ind i stof, træ, plastik og endda skyer, men ikke metal eller vand. I kombination med spektroskopi, de kan bruges til at læse, hvad Kono kaldte "spektrale fingeraftryk i terahertz -området"; han sagde, de ville, for eksempel, være nyttig i en sikkerhedsindstilling til at identificere de kemiske signaturer af specifikke sprængstoffer.

Værket af Kono og hovedforfatteren Lei Ren, der for nylig fik sin doktorgrad ved Rice, gør stor brug af den grundforskning i kulstofnanorør, som universitetet er berømt for. Medforfattere Robert Hauge, en fornem fakultet i kemi, og hans tidligere kandidatstuderende Cary Pint udviklede en måde at dyrke nanorørstæpper på og overføre velafstemte rækker af nanorør fra en katalysator til ethvert substrat, de valgte, kun begrænset af vækstplatformens størrelse.

Mens Hauge og Pint udviklede deres nanorør-arrays, Kono og hans team tænkte på terahertz. Fire år siden, de stødte på et halvledende materiale, indium antimonid, der ville stoppe eller passere terahertz-bølger, men kun i et stærkt magnetfelt og ved meget lave temperaturer.

Omtrent samtidig, Konos laboratorium begyndte at arbejde med carbon nanorørarrays, der blev overført til et safirunderlag af Pint og Hauge. Disse afstemte arrays -- tænk på en hvedemark kørt over af en dampvalse -- viste sig at være meget effektive til at filtrere terahertz-bølger, som Kono og hans team rapporterede i et papir fra 2009.

"Da polariseringen af ​​terahertz-bølgen var vinkelret på nanorørene, der var absolut ingen dæmpning, " huskede Kono. "Men da polariseringen var parallel med nanorørene, tykkelsen var ikke nok til helt at dræbe transmissionen, som stadig lå på 30-50 procent."

Svaret var klart:Gør polarisatoren tykkere. Den nuværende polarisator har tre dæk af justerede nanorør på safir, nok til effektivt at absorbere al den indfaldende terahertz-stråling. "Vores metode er unik, og det er enkelt, " han sagde.

Kono ser brug for enheden ud over spektroskopi ved at manipulere den med et elektrisk felt, men det bliver først muligt, når alle nanorørene i et array er af en halvledende type. Som de er lavet nu, partier af nanorør er en tilfældig blanding af halvledere og metalliske materialer; nylig arbejde af Erik Hároz, en kandidatstuderende i Konos laboratorium, detaljerede årsagerne til, at nanorør adskilt gennem ultracentrifugering har typeafhængige farver. Men at finde en måde at dyrke bestemte typer nanorør på er i fokus for en masse forskning på Rice og andre steder.