Att upptäcka elektromagnetiska vågor i terahertz-frekvensområdet är fortfarande ett utmanande problem. Forskare från University of Cambridge, tillsammans med fysiker från University of Augsburg, har nyligen upptäckt en ny fysisk effekt som kan ändra på det. I en ny studie utvecklar forskarna nu en teori som förklarar mekanismen bakom den. Deras resultat gör det möjligt att konstruera små, billiga och mycket känsliga terahertzdetektorer. Dessa skulle kunna användas till exempel i medicinsk diagnostik, för kontaktlösa säkerhetskontroller eller för snabbare trådlös dataöverföring. Resultaten av den nya teorin har publicerats i tidskriften Physical Review B .

När röntgenstrålar eller UV-strålar faller på en metallyta slår de elektroner ur materialet. Denna "fotoelektriska effekt" kan ligga till grund för detektorer som upptäcker närvaron av elektromagnetiska vågor.

I en något modifierad form används en liknande effekt i inspelningschips av digitalkameror eller i solceller. Dessa reagerar på synligt och infrarött ljus. Dess energi är dock betydligt lägre än UV-strålningens och är därför otillräcklig för att frigöra elektroner från materialet. Istället kan strålningen förändra de elektriska egenskaperna hos halvledarstrukturer, som vanligtvis är dåliga ledare. När de utsätts för ljus blir de å andra sidan ledande eller kan till och med generera spänningar.

Energin för terahertzstrålning är till och med lägre än för synligt eller infrarött ljus. THz-strålning ger vanligtvis inte tillräckligt med energi ens för att excitera elektroner i halvledare. För närvarande finns det flera typer av detektorer för terahertzstrålning, men det krävs fortfarande mer effektiva, billiga och kompakta THz-detektorer. Därför fortsätter forskare att leta efter alternativa fysikaliska principer för att upptäcka terahertzstrålning.

"Nyligen, tillsammans med kollegor från Storbritannien, har vi upptäckt en ny fysisk effekt som tillåter konstruktion av mycket känsliga detektorer", förklarar Dr. Sergey Mikhailov från Institutet för fysik vid University of Augsburg. "Det är baserat på halvledarmaterial med en tvådimensionell elektrongas — ett tunt ledande skikt som bildas under halvledarytan. Under vissa förhållanden kan en typ av fotoelektrisk effekt observeras även vid terahertzfrekvenser i en sådan struktur. När denna halvledare strukturen är upplyst av elektromagnetiska vågor, en ström genereras i den tvådimensionella elektrongasen i en riktning parallell med halvledarytan."

I sitt nuvarande arbete har forskarna utvecklat en teori om denna "fotoelektriska effekt i planet" som förklarar mekanismen mer detaljerat. Olika förutsägelser kan härledas från deras resultat. Till exempel bör det utifrån effekten vara möjligt att konstruera detektorer som är känsliga för hela terahertzområdet (strålning med frekvenser mellan 0,1 och 10 terahertz eller med våglängder mellan 3 och 0,03 millimeter). "Det här är ett område där alla nya upptäcktsmekanismer är av stort värde", säger Mikhailov. Teoretiskt borde det också vara möjligt att konstruera detektorer som reagerar på mycket låga strålningsintensiteter.

Dessa kan användas i olika applikationer. Till exempel kan hudcancerceller lätt upptäckas med hjälp av terahertzstrålning. Sådana detektorer kan också användas för att hitta de minsta mängderna narkotika eller explosivt material vid säkerhetskontroller. Dessutom svänger terahertzvågor fram och tillbaka snabbare än den elektromagnetiska strålning som för närvarande används i mobilkommunikation. Av denna anledning kan de överföra betydligt mer information på samma tid. De nya detektorerna skulle därför kunna ge en farthöjning för det mobila Internet. + Utforska vidare

Ett steg närmare att göra terahertz-teknik användbar i den verkliga världen