Med en våglängd på cirka en halv millimeter, terahertzstrålning fyller gapet mellan synligt ljus och radiovågor. Denna strålning lämpar sig mycket väl för djupmätning av de elektriska egenskaperna hos nya material, som doktorand Niels van Hoof har visat. Han hjälpte till att bygga ett unikt terahertz-mikroskop som kan styras helt på distans - praktiskt vid en pandemi.

Ur ett vetenskapligt perspektiv, terahertzstrålning är en udda kula:fångad mellan barndom och vuxen ålder, man skulle kunna säga. Eller snarare dess vågor är för korta för elektroteknik och för långa för fysik. Med tanke på detta, fysiker Niels van Hoof, som utförde sitt doktorandarbete i Surface Photonics-gruppen ledd av Jaime Gómez Rivas (Applied Physics), var också i kontakt med gruppen som leddes av professor Marion Matters vid elektroteknik.

"De två grupperna skapade till och med en spin-off tillsammans, TeraNova, " säger han. "Företaget sköter den kommersiella lanseringen av terahertz-mikroskopet som vi utvecklade." Korspollineringen mellan de två blodgrupperna, var och en med sin egen jargong, gör specialistområdet terahertzstrålning särskilt intressant, hittar Van Hoof.

Kroppsskannrar

Bortom laboratoriet, terahertzstrålning är känd främst i samband med de kroppsskannrar som används på flygplatser. Många föremål är genomskinliga för terahertzstrålning, förklarar doktoranden. "Men metaller beter sig som en perfekt spegel för denna strålning eftersom de leder elektricitet. Detta gör terahertzstrålning mycket lämplig för att upptäcka vapen."

Denna känslighet för elektrisk ledningsförmåga lägger till ytterligare en applikation till terahertz-strålningsportföljen:att studera material som nyligen producerats i labbet. Tänk på alla typer av snygga strukturer som nanotrådar, som i kraft av sin speciella form och sammansättning uppvisar speciella elektromagnetiska egenskaper.

För att analysera dessa nya material, vi måste zooma in, som det var, på föremålet. Detta kan göras med en teknik som kallas närfältsspektroskopi, en metod som har använts framgångsrikt inom ljusmikroskopi i ett halvt sekel. Här, strukturer som är mindre än våglängden på ljuset som används görs synliga.

Yta

"Genom att tillämpa denna teknik på terahertzstrålning kan vi detektera de elektriska fälten på ytan av strukturer som är mycket mindre än strålningens våglängd, " förklarar Van Hoof. "Detta gör det möjligt för oss att uppnå en upplösning på mellan tre och tio mikrometer." I mätinställningen rör sig provet förbi en detektor i steg om tio mikrometer samtidigt som det belyses av pulser av terahertzstrålning. "Detta gör det möjligt för oss att mäta det lokala elektriska fältet som en funktion av tiden. Vi använder denna information för att förstå varför materialet beter sig på ett visst sätt."

Mätningar som denna är nästan omöjliga att utföra med synligt ljus, säger fysikern. "Inom den optiska domänen har du inget annat val än att simulera beteende, medan vi faktiskt kan mäta det. Det fina med systemet är att det är skalbart; detta innebär att när man arbetar med mindre strukturer och motsvarande högre frekvenser kan man, i princip, förvänta sig samma beteende. Och så våra mätningar tagna med terahertz-mikroskopet är också relevanta för andra delar av det elektromagnetiska spektrumet."

Laserpuls

Ett forskningsfält involverade Van Hoof som studerade en rad material, inklusive en gjord av löst vävda silver nanotrådar. "Billig, transparenta elektroder kan möjligen vara tillverkade av detta material, för användning i, säga, flexibla plastsolceller, " förklarar han. "Även om vi inte kan se några enskilda nanotrådar med vårt mikroskop, vi kan fastställa relevanta elektriska egenskaper. Jag har arbetat med DIFFER om detta; de gör den här typen av material."

Som ett andra undersökningsområde studerade han renheten hos halvledarmaterial. "Du kan fastställa denna renhet genom att mäta hur länge materialet förblir ledande efter att du träffat det med en kortslutning, intensiv puls av laserljus. Ju längre tid, desto renare material. Detta är intressant information för halvledarindustrin. Vi har utarbetat ett sätt att göra detta utan att laserpulsen skadar detektorn. Detta är så unikt att ett patent har beviljats."

Fjärrstyrning

Lika unikt är det faktum att mätinställningen byggd av Van Hoof kan fjärrstyras helt och hållet - över internet. Som förklaras i kortfilmen nedan, detta visade sig vara mycket användbart under den sista fasen av hans forskning; trots allt, detta sammanföll med nedstängningarna under coronapandemin.