En enhed i nanoskala til at generere terahertzbølger med høj effekt

Terahertz (THz) bølger falder mellem mikrobølge og infrarød stråling i det elektromagnetiske spektrum, oscillerende ved frekvenser på mellem 100 milliarder og 30 billioner cyklusser i sekundet. Disse bølger er værdsat for deres karakteristiske egenskaber:de kan trænge igennem papir, tøj, træ og vægge, samt opdage luftforurening. THz-kilder kan revolutionere sikkerhed og medicinske billedbehandlingssystemer. Hvad mere er, deres evne til at transportere enorme mængder data kan være nøglen til hurtigere trådløs kommunikation.

THz-bølger er en type ikke-ioniserende stråling, hvilket betyder, at de ikke udgør nogen risiko for menneskers sundhed. Teknologien bruges allerede i nogle lufthavne til at scanne passagerer og opdage farlige genstande og stoffer.

På trods af et stort løfte, THz-bølger er ikke udbredt, fordi de er dyre og besværlige at generere. Men ny teknologi udviklet af forskere ved EPFL kan ændre alt det. Holdet på Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), ledet af prof. Elison Matioli, bygget en nanoenhed, der kan generere ekstremt højeffektsignaler på blot et par picosekunder, eller en trilliontedel af et sekund, som producerer højeffekt THz-bølger.

Teknologien, som kan monteres på en chip eller et fleksibelt medium, kunne en dag installeres i smartphones og andre håndholdte enheder. Værket er først forfattet af Mohammad Samizadeh Nikoo, en ph.d. studerende på POWERlab, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Hvordan det virker

Den kompakte, billig, Fuldt elektrisk nanoenhed genererer højintensitetsbølger fra en lille kilde på næsten ingen tid. Det virker ved at producere en kraftig "gnist, " med spændingen fra 10 V (eller lavere) til 100 V inden for et picosekund. Enheden er i stand til at generere denne gnist næsten kontinuerligt, hvilket betyder, at den kan udsende op til 50 millioner signaler hvert sekund. Når den er tilsluttet antenner, systemet kan producere og udstråle THz-bølger med høj effekt.

Enheden består af to metalplader placeret meget tæt på hinanden, ned til 20 nanometer fra hinanden. Når en spænding påføres, elektroner stiger mod en af ​​pladerne, hvor de danner et nanoplasma. Når spændingen når en vis tærskel, elektronerne udsendes næsten øjeblikkeligt til den anden plade. Denne hurtige bevægelse muliggjort af sådanne hurtige kontakter skaber en høj-intensitetsimpuls, der producerer højfrekvente bølger.

Konventionelle elektroniske enheder er kun i stand til at skifte ved hastigheder på op til én volt pr. picosekund - for langsomt til at producere højeffekt THz-bølger.

Den nye nanoenhed, som kan være mere end ti gange hurtigere, kan generere både højenergi- og højfrekvente impulser. "Normalt, det er umuligt at opnå høje værdier for begge variabler, " siger Matioli. "Højfrekvente halvlederenheder er i nanoskala i størrelse. De kan kun klare nogle få volt, før de bryder ud. Enheder med høj effekt, i mellemtiden, er for store og langsomme til at generere terahertz-bølger. Vores løsning var at gense det gamle plasmafelt med avancerede nanoskalafremstillingsteknikker for at foreslå en ny enhed til at omgå disse begrænsninger."

Ifølge Matioli, den nye enhed skubber alle variablerne til det yderste:"Højfrekvent, høj effekt og nanoskala er ikke udtryk, du normalt ville høre i samme sætning."

"Disse nanoenheder, på den ene side, bringe et ekstremt højt niveau af enkelhed og lave omkostninger, og på den anden side, vise en fremragende præstation. Ud over, de kan integreres med andre elektroniske enheder såsom transistorer. I betragtning af disse unikke egenskaber, nanoplasma kan forme en anden fremtid for området med ultrahurtig elektronik, " siger Samizadeh.

Teknologien kan have vidtrækkende anvendelser ud over at generere THz-bølger. "Vi er ret sikre på, at der vil komme flere innovative applikationer, " tilføjer Matioli.