Grafenforstærker låser op for skjulte frekvenser i det elektromagnetiske spektrum

Forskere har skabt en unik enhed, som vil låse op for de undvigende terahertz-bølgelængder og gøre revolutionerende nye teknologier mulige.

Terahertz-bølger (THz) sidder mellem mikrobølger og infrarødt lys i lysfrekvensspektret, men på grund af deres lave energi, videnskabsmænd har ikke været i stand til at udnytte deres potentiale. Gåden er kendt i videnskabelige kredse som "terahertz-gabet".

At være i stand til at detektere og forstærke THz-bølger (T-stråler) ville åbne op for en ny æra af medicinsk, kommunikation, satellit, kosmologiske og andre teknologier. En stor applikation ville være som et pengeskab, ikke-destruktivt alternativ til røntgenstråler. Imidlertid, indtil nu, bølgelængderne, som ligger mellem 3 mm og 30 μm, har vist sig umulige at bruge på grund af relativt svage signaler fra alle eksisterende kilder.

Et team af fysikere har skabt en ny type optisk transistor - en fungerende THz-forstærker - ved hjælp af grafen og en højtemperatur-superleder. Fysikken bag den simple forstærker er afhængig af grafens egenskaber, som er gennemsigtig og ikke lysfølsom, og hvis elektroner ikke har nogen masse. Den består af to lag grafen og en superleder, der fanger de grafen masseløse elektroner mellem dem som en sandwich.

Enheden tilsluttes derefter til en strømkilde. Når THz-strålingen rammer det ydre grafenlag, de fangede partikler indeni binder sig til de udgående bølger, at forstærke dem. Professor Fedor Kusmartsev, fra Loughboroughs Institut for Fysik, sagde, "Når THz-lyset falder på sandwichen, reflekteres det, som et spejl."

"Hovedpointen er, at der vil blive reflekteret mere lys, end der faldt på enheden. "Det virker, fordi ekstern energi leveres af et batteri eller af lys, der rammer overfladen fra andre, højere frekvenser i det elektromagnetiske spektrum. THz-fotonerne omdannes af grafen til masseløse elektroner, hvilken, på tur, forvandles tilbage til reflekteret, energisk, THz fotoner. På grund af en sådan transformation, THz-fotonerne tager energi fra grafen - eller fra batteriet - og de svage THz-signaler forstærkes."

Gennembruddet er offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve . Holdet fortsætter med at udvikle enheden og håber at have prototyper klar til test snart. Prof Kusmartsev sagde, at de håber at have en fungerende forstærker klar til kommercialisering om omkring et år. Han tilføjede, at en sådan enhed ville forbedre den nuværende teknologi og gøre det muligt for videnskabsmænd at afsløre mere om den menneskelige hjerne.

"Universet er fuld af terahertz-stråling og signaler, faktisk, alle biologiske organismer både optager og udsender det. Jeg forventer, at med sådan en forstærker tilgængelig, vi vil være i stand til at opdage naturens mange mysterier, for eksempel, hvordan kemiske reaktioner og biologiske processer foregår, eller hvordan vores hjerne fungerer, og hvordan vi tænker. Terahertz-området er den sidste strålingsfrekvens, der er blevet vedtaget af menneskeheden. Mikrobølger, infrarød, synlig, Røntgenstråler og andre båndbredder er afgørende for utallige videnskabelige og teknologiske fremskridt.

"Det har egenskaber, som i høj grad ville forbedre store områder af videnskaben, såsom billeddannelse, spektroskopi, tomografi, medicinsk diagnose, sundhedsovervågning, miljøkontrol og kemisk og biologisk identifikation.

"Den enhed, vi har udviklet, vil give videnskabsmænd og ingeniører mulighed for at udnytte den illusive båndbredde og skabe den næste generation af medicinsk udstyr, detektionshardware og trådløs kommunikationsteknologi."