Terahertz (THz) vågor faller mellan mikrovågsugn och infraröd strålning i det elektromagnetiska spektrumet, oscillerande vid frekvenser på mellan 100 miljarder och 30 biljoner cykler per sekund. Dessa vågor är uppskattade för sina distinkta egenskaper:de kan penetrera papper, Kläder, trä och väggar, samt upptäcka luftföroreningar. THz-källor kan revolutionera säkerhets- och medicinska bildbehandlingssystem. Vad mer, deras förmåga att bära stora mängder data kan hålla nyckeln till snabbare trådlös kommunikation.

THz-vågor är en typ av icke-joniserande strålning, vilket innebär att de inte utgör någon risk för människors hälsa. Tekniken används redan på vissa flygplatser för att skanna passagerare och upptäcka farliga föremål och ämnen.

Trots ett stort löfte, THz-vågor används inte i stor utsträckning eftersom de är dyra och besvärliga att generera. Men ny teknik som utvecklats av forskare vid EPFL kan förändra allt detta. Teamet vid Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), ledd av prof. Elison Matioli, byggde en nanodevice som kan generera extremt kraftfulla signaler på bara några pikosekunder, eller en biljondels sekund, som producerar THz-vågor med hög effekt.

Teknologin, som kan monteras på ett chip eller ett flexibelt medium, en dag skulle kunna installeras i smartphones och andra handhållna enheter. Verket författades av Mohammad Samizadeh Nikoo, en Ph.D. student på POWERlab, har publicerats i tidskriften Natur .

Hur det fungerar

Den kompakta, billig, helt elektrisk nanodevice genererar högintensiva vågor från en liten källa på kort tid. Det fungerar genom att producera en kraftfull "gnista, " med spänningen från 10 V (eller lägre) till 100 V inom intervallet en pikosekund. Enheten kan generera denna gnista nästan kontinuerligt, vilket betyder att den kan avge upp till 50 miljoner signaler varje sekund. När den är ansluten till antenner, systemet kan producera och utstråla THz-vågor med hög effekt.

Enheten består av två metallplattor som ligger mycket nära varandra, ner till 20 nanometer från varandra. När en spänning appliceras, elektroner rusar mot en av plattorna, där de bildar en nanoplasma. När spänningen når en viss tröskel, elektronerna avges nästan omedelbart till den andra plattan. Denna snabba rörelse som möjliggörs av så snabba omkopplare skapar en högintensiv puls som producerar högfrekventa vågor.

Konventionella elektroniska enheter kan bara växla med hastigheter på upp till en volt per pikosekund – för långsamt för att producera THz-vågor med hög effekt.

Den nya nanodelen, som kan vara mer än tio gånger snabbare, kan generera både högenergi- och högfrekventa pulser. "I vanliga fall, det är omöjligt att uppnå höga värden för båda variablerna, " säger Matioli. "Högfrekventa halvledarenheter är i nanoskala. De klarar bara några få volt innan de bryter ut. Högeffektsenheter, under tiden, är för stora och långsamma för att generera terahertzvågor. Vår lösning var att återvända till det gamla plasmaområdet med toppmoderna tillverkningstekniker i nanoskala för att föreslå en ny enhet för att komma runt dessa begränsningar."

Enligt Matioli, den nya enheten driver alla variabler till det yttersta:"Högfrekvent, hög effekt och nanoskala är inte termer som du normalt hör i samma mening."

"Dessa nanotillbehör, på en sida, ger en extremt hög nivå av enkelhet och låg kostnad, och på andra sidan, visa en utmärkt prestation. Dessutom, de kan integreras med andra elektroniska enheter såsom transistorer. Med tanke på dessa unika egenskaper, nanoplasma kan forma en annan framtid för området ultra-snabb elektronik, säger Samizadeh.

Tekniken kan ha omfattande tillämpningar utöver generering av THz-vågor. "Vi är ganska säkra på att det kommer fler innovativa applikationer, ", tillägger Matioli.