Една стъпка по-близо до превръщането на терахерцовата технология за използваема в реалния свят


Една стъпка по-близо до превръщането на терахерцовата технология за използваема в реалния свят

Владислав Михайлов показва устройство в чистото помещение и терагерцов детектор след изработка. Кредит: Владислав Михайлов

Изследователите са открили в двуизмерните проводими системи нов ефект, който обещава подобрена производителност на терахерцовите детектори.

Екип от учени от лабораторията Кавендиш, заедно с колеги от университетите в Аугсбург (Германия) и Ланкастър, откриха нов физически ефект, когато двуизмерните електронни системи са изложени на терахерцови вълни.

Първо, какво представляват терахерцовите вълни? „Ние общуваме с мобилни телефони, които предават микровълнова радиация и използвайте инфрачервени камери за нощно виждане. Терахерцът е вид електромагнитно лъчение, което се намира между микровълновата и инфрачервено лъчение“, обяснява проф. Дейвид Ричи, ръководител на групата по физика на полупроводниците в лабораторията на Кавендиш към университета в Кеймбридж, „но в момента липсват източници и детектори на този тип лъчение, които биха били евтини, ефективни, и лесен за използване. Това пречи на широкото използване на терахерцовата технология.”

Изследователи от групата по физика на полупроводниците, заедно с изследователи от Пиза и Торино в Италия, бяха първите, които демонстрираха през 2002 г. действието на лазер с терагерцови честоти, квантов каскаден лазер. Оттогава групата продължава да изследва терахерцовата физика и технология и в момента изследва и разработва функционални терагерцови устройства, включващи метаматериали за формиране на модулатори, както и нови видове детектори.

Ако се реши липсата на използваеми устройства, терагерцовото излъчване може да има много полезни приложения в сигурността, материалознанието, комуникациите и медицината. Например, терахерцовите вълни позволяват изобразяване на ракова тъкан, която не може да се види с просто око. Те могат да бъдат използвани в нови поколения безопасни и бързи летищни скенери, които дават възможност за разграничаване на лекарства от незаконни наркотици и експлозиви, и могат да се използват за осигуряване на още по-бързи безжични комуникации отвъд най-съвременните.

И така, за какво е скорошното откритие? „Разработвахме нов тип терагерцов детектор“, казва д-р Владислав Михайлоу, младши научен сътрудник в Тринити Колидж Кеймбридж, „но когато измервахме неговата производителност, се оказа, че той показва много по-силен сигнал, отколкото би трябвало да се очаква теоретично. Така че излязохме с ново обяснение.”

Това обяснение, както казват учените, се крие в начина, по който светлината взаимодейства с материята. При високи честоти материята поглъща светлина под формата на единични частици – фотони. Тази интерпретация, предложена за първи път от Айнщайн, формира основата на квантовата механика и обяснява фотоелектричния ефект. Това квантово фотовъзбуждане е начинът, по който светлината се засича от камерите в нашите смартфони; той също така генерира електричество от светлина в слънчевите клетки.

Добре познатият фотоелектричен ефект се състои в освобождаването на електрони от проводящ материал – метал или полупроводник – от падащи фотони. В триизмерния случай електроните могат да бъдат изгонени във вакуум чрез фотони в ултравиолетовия или рентгеновия диапазон, или освободен в диелектрик в средния инфрачервен до видим диапазон. Новостта е в откриването на процес на квантово фотовъзбуждане в терагерцовия диапазон, подобен на фотоелектричния ефект. „Фактът, че такива ефекти могат да съществуват в рамките на силно проводими, двуизмерни електронни газове при много по-ниски честоти, не е разбран досега“, обяснява Владислав, първият автор на изследването, „но успяхме да докажем това експериментално“. Количествената теория на ефекта е разработена от колега от университета в Аугсбург, Германия, а международният екип от изследователи публикува своите открития в списанието Научни постижения.

Изследователите нарекоха явлението съответно “фотоелектричен ефект в равнина”. В съответната статия учените описват няколко предимства от използването на този ефект за откриване на терагерц. По-специално, величината на фотоотговора, генериран от падащото терагерцово лъчение от “в равнината фотоелектричен ефект” е много по-високо от очакваното от други механизми, за които досега е било известно, че водят до терахерцов фотоотговор. По този начин учените очакват, че този ефект ще позволи производството на терахерцови детектори със значително по-висока чувствителност.

„Това ни довежда една крачка по-близо до това терагерц технология, използваема в реалния свят“, заключава проф. Ричи.


Резонансни тунелни диодни осцилатори за откриване на терахерцови вълни


Повече информация:
Wladislaw Michailow et al, Фотоелектричен ефект в равнина в двуизмерни електронни системи за терагерцово откриване, Научни постижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abi8398

Предоставена от
университет в Кеймбридж


Цитат: Една стъпка по-близо до превръщането на terahertz технологията в използваема в реалния свят (2022 г., 23 май), извлечена на 23 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-closer-terahertz-technology-usable-real.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.