Terahertz -vågor blir allt viktigare inom vetenskap och teknik. De gör det möjligt för oss att reda ut egenskaperna hos framtida material, testa kvaliteten på bilfärg och skärmkuvert. Men att generera dessa vågor är fortfarande en utmaning. Ett team på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden och universitetet i Konstanz har nu gjort betydande framsteg. Forskarna har utvecklat en germaniumkomponent som genererar korta terahertz -pulser med en fördelaktig egenskap:pulserna har ett extremt bredbandsspektrum och levererar därmed många olika terahertz -frekvenser samtidigt. Eftersom det har varit möjligt att tillverka komponenten med metoder som redan används inom halvledarindustrin, utvecklingen lovar ett brett spektrum av tillämpningar inom forskning och teknik, som laget rapporterar i journalen Ljus:Vetenskap och applikationer .

Precis som ljus, terahertz -vågor kategoriseras som elektromagnetisk strålning. I spektrumet, de faller mitt mellan mikrovågor och infraröd strålning. Men medan mikrovågor och infraröd strålning sedan länge har kommit in i vårt vardagsliv, terahertz -vågor börjar bara användas. Anledningen är att experter bara har kunnat konstruera rimligt acceptabla källor för terahertzvågor sedan början av 2000 -talet. Men dessa sändare är fortfarande inte perfekta - de är relativt stora och dyra, och strålningen de avger har inte alltid de önskade egenskaperna.

En av de etablerade generationsmetoderna är baserad på en gallium-arsenidkristall. Om denna halvledarkristall bestrålas med korta laserpulser, galliumarsenidladdningsbärare bildas. Dessa laddningar accelereras genom att applicera spänning som tvingar fram generering av en terahertzvåg - i princip samma mekanism som i en VHF -sändarmast där rörliga laddningar producerar radiovågor.

Dock, denna metod har ett antal nackdelar:"Den kan bara användas med relativt dyra speciallasrar, "förklarar HZDR-fysikern Dr. Harald Schneider." Med standardlasrar av den typ vi använder för fiberoptisk kommunikation, det fungerar inte. "En annan brist är att gallium-arsenidkristaller bara levererar relativt smala band terahertz-pulser och därmed ett begränsat frekvensområde-vilket avsevärt begränsar applikationsytan.

Ädelmetallimplantat

Det är därför Schneider och hans team satsar på ett annat material - halvledaren germanium. "Med germanium kan vi använda billigare lasrar som kallas fiberlasrar, "säger Schneider." Dessutom, germaniumkristaller är mycket transparenta och underlättar därmed utsläpp av mycket bredbandspulser. "Men, än så länge, de har haft ett problem:Om du bestrålar rent germanium med en kort laserpuls, det tar flera mikrosekunder innan den elektriska laddningen i halvledaren försvinner. Först då kan kristallen absorbera nästa laserpuls. Dagens lasrar, dock, kan avfyra sina pulser med ett par dussin nanosekunder - en sekvens av skott alldeles för snabb för germanium.

För att övervinna denna svårighet, experter sökte efter ett sätt att få de elektriska laddningarna i germanium att försvinna snabbare. Och de hittade svaret i en framstående ädelmetall - guld. "Vi använde en jonaccelerator för att skjuta guldatomer i en germaniumkristall, "förklarar Schneiders kollega, Dr Abhishek Singh. "Guldet trängde in i kristallen till ett djup av 100 nanometer." Forskarna värmde sedan kristallen i flera timmar vid 900 grader Celsius. Värmebehandlingen säkerställde att guldatomerna fördelades jämnt i germaniumkristallen.

Framgången tog fart när teamet upplyste det peppade germaniumet med ultrakorte laserpulser:istället för att hänga i kristallen i flera mikrosekunder, de elektriska laddningsbärarna försvann igen på under två nanosekunder - ungefär tusen gånger snabbare än tidigare. Bildligt talat, guldet fungerar som en fälla, hjälper till att fånga upp och neutralisera avgifterna. "Nu kan germaniumkristallen bombarderas med laserpulser med hög upprepningshastighet och fortfarande fungera, "Singh är glad att rapportera.

Billig tillverkning möjlig

Den nya metoden underlättar terahertz-pulser med en extremt bred bandbredd:istället för 7 terahertz med den etablerade gallium-arsenidtekniken, den är nu tio gånger större — 70 terahertz. "Vi får ett brett kontinuerlig, gaplöst spektrum i ett slag ", Harald Schneider entusiastiskt. "Det betyder att vi har en riktigt mångsidig källa till hands som kan användas för de mest olika applikationerna." En annan fördel är att effektivt, germaniumkomponenter kan bearbetas med samma teknik som används för mikrochips. "Till skillnad från galliumarsenid, germanium är kiselkompatibel, "Schneider noterar." Och eftersom de nya komponenterna kan drivas tillsammans med vanliga fiberoptiska lasrar, du kan göra tekniken ganska kompakt och billig. "

Detta bör göra gulddopat germanium till ett intressant alternativ inte bara för vetenskapliga tillämpningar, såsom detaljerad analys av innovativa tvådimensionella material som grafen, men också för tillämpningar inom medicin och miljöteknik. Man kan tänka sig sensorer, till exempel, som spårar vissa gaser i atmosfären med hjälp av sitt terahertz -spektrum. Dagens terahertz -källor är fortfarande för dyra för ändamålet. De nya metoderna, utvecklad i Dresden-Rossendorf, kan bidra till att göra miljösensorer som detta mycket billigare i framtiden.