Terahertz-strålning, eller T-strålar, har knappt utnyttjats jämfört med större delen av resten av det elektromagnetiska spektrumet. Ändå har T-strålar potentiellt tillämpningar i nästa generations trådlös kommunikation (6G/7G), säkerhetssystem, biomedicin, och även konsthistoria. En ny anordning för att kontrollera T-strålar med hjälp av en specialdesignad "metayta" med egenskaper som inte finns i naturen skulle kunna börja realisera denna potential.

Resultaten publiceras i den peer-reviewade tidskriften Optik Express den 13 juli, 2020.

"Terahertzgapet" är en term som används av ingenjörer för att beskriva hur mycket lite teknik som finns som använder sig av frekvensbandet i det elektromagnetiska spektrum som ligger mellan mikrovågor och infraröd strålning:terahertzstrålning (även kallad T-strålning).

Även om det är enkelt att generera och manipulera mikrovågor och infraröd strålning, praktiska tekniker som fungerar vid rumstemperatur och som kan göra detsamma med T-strålar är ineffektiva och opraktiska. Detta är en stor skam, eftersom egenskaperna hos T-strålar skulle göra dem extremt användbara om vi verkligen kunde utnyttja dem.

T-strålar kan penetrera ogenomskinliga föremål som röntgenstrålar, men de är icke-joniserande, så mycket säkrare. De kan också gå igenom kläder, trä, plast, och keramik, så är av intresse för säkerhets- och övervakningssektorn för realtidsavbildning för att identifiera dolda vapen eller sprängämnen. Av samma anledning, terahertz-strålningstillämpningar är också lovande för kulturarvsvetenskap, att erbjuda konsthistoriker och museer ett riskfritt alternativ för undersökning av artefakter, från målningar till mumier.

Terahertz-teknik som tillåter generering, upptäckt, och appliceringen av terahertzvågor har tagit fart under det senaste decenniet eller så, minskar terahertz-gapet något. Men prestandan och dimensionerna hos konventionella optiska komponenter som kan manipulera terahertzvågor har inte hängt med i denna snabba utveckling. En anledning är bristen på naturligt förekommande material som är lämpliga för terahertzvågbandet.

Dock, forskare vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) under ledning av docent och terahertzvågingenjör Takehito Suzuki har nyligen utvecklat en optisk komponent som lättare kan manipulera T-strålar och på ett praktiskt sätt – genom att använda ett material som inte förekommer i naturen.

Konventionellt, en kollimator - en enhet som smalnar av strålar eller vågor, som vanligtvis består av en böjd lins eller spegel – som kan manipulera T-strålar är en skrymmande tredimensionell struktur gjord av naturligt förekommande material.

Men TUAT-forskarna Takehito Suzuki, Kota Endo, och Satoshi Kondoh har tagit fram en kollimator som ett ultratunt (2,22 mikrometer) plan tillverkat av en "metayta" - ett material som är konstruerat för att ha egenskaper som är omöjliga eller svåra att hitta i naturen. Dessa egenskaper kommer inte från vilken metall eller plastbassubstans de än består av, utan istället från materialets geometri och arrangemang i små repeterande mönster som kan böja elektromagnetiska vågor på ett sätt som naturliga ämnen inte kan.

I detta fall, materialet har ett extremt högt brytningsindex (hur långsamt ljus färdas genom det) och låg reflektans (andel ljus som reflekteras efter att ha träffat en yta). Kollimatorn består av 339 par metaatomer arrangerade så att brytningsindexet koncentriskt ökar från utsidan till mitten av enheten.

"Metaytans design är oöverträffad, sa Suzuki, "leverera en mycket högre prestanda som borde påskynda utvecklingen av ett brett spektrum av applikationer, inklusive nästa generations trådlös kommunikation (6G/7G) och till och med värmestrålningskontrollenheter."