Wladislaw Michailow visar enheten i renrummet och en terahertzdetektor efter tillverkning. Kredit:Wladislaw Michailow
Forskare har upptäckt i tvådimensionella ledande system en ny effekt som lovar förbättrad prestanda hos terahertzdetektorer.
Ett team av forskare vid Cavendish Laboratory har tillsammans med kollegor vid universiteten i Augsburg (Tyskland) och Lancaster hittat en ny fysisk effekt när tvådimensionella elektronsystem utsätts för terahertzvågor.
Först och främst, vad är terahertzvågor? "Vi kommunicerar med hjälp av mobiltelefoner som sänder ut mikrovågsstrålning och använder infraröda kameror för mörkerseende. Terahertz är den typ av elektromagnetisk strålning som ligger mellan mikrovågsstrålning och infraröd strålning", förklarar prof. David Ritchie, chef för Semiconductor Physics Group vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, "men för närvarande finns det en brist på källor och detektorer för denna typ av strålning som skulle vara billiga, effektiva och lätta att använda. Detta hindrar den utbredda användningen av terahertz-teknik."
Forskare från Semiconductor Physics-gruppen, tillsammans med forskare från Pisa och Torino i Italien, var de första som 2002 demonstrerade driften av en laser vid terahertz-frekvenser, en kvantkaskadlaser. Sedan dess har gruppen fortsatt att forska om terahertz fysik och teknologi och undersöker och utvecklar för närvarande funktionella terahertz-enheter som innehåller metamaterial för att bilda modulatorer, såväl som nya typer av detektorer.
Om bristen på användbara enheter löstes skulle terahertzstrålning kunna ha många användbara tillämpningar inom säkerhet, materialvetenskap, kommunikation och medicin. Till exempel tillåter terahertzvågor avbildning av cancervävnad som inte kunde ses med blotta ögat. De kan användas i nya generationer av säkra och snabba flygplatsskannrar som gör det möjligt att skilja mediciner från illegala droger och sprängämnen, och de skulle kunna användas för att möjliggöra ännu snabbare trådlös kommunikation utöver det senaste.
Så vad handlar den senaste upptäckten om? "Vi höll på att utveckla en ny typ av terahertzdetektor", säger Dr Wladislaw Michailow, juniorforskare vid Trinity College Cambridge, "men när man mätte dess prestanda visade det sig att den visade en mycket starkare signal än vad man teoretiskt skulle kunna förvänta sig. Så vi kom på en ny förklaring."
Denna förklaring, som forskarna säger, ligger i hur ljus interagerar med materia. Vid höga frekvenser absorberar materia ljus i form av enskilda partiklar – fotoner. Denna tolkning, som först föreslogs av Einstein, bildade grunden för kvantmekaniken och förklarade den fotoelektriska effekten. Denna kvantfotoexcitering är hur ljus detekteras av kameror i våra smartphones; det är också det som genererar el från ljus i solceller.
Den välkända fotoelektriska effekten består av frigörandet av elektroner från ett ledande material - en metall eller en halvledare - genom infallande fotoner. I det tredimensionella fallet kan elektroner drivas ut i vakuum av fotoner i ultraviolett- eller röntgenområdet, eller släppas ut i ett dielektrikum i mitten av infrarött till synligt område. Nyheten är upptäckten av en kvantfotoexcitationsprocess i terahertzområdet, liknande den fotoelektriska effekten. "Det faktum att sådana effekter kan existera inom högledande, tvådimensionella elektrongaser vid mycket lägre frekvenser har inte förståtts hittills", förklarar Wladislaw, första författare till studien, "men vi har kunnat bevisa detta experimentellt." Den kvantitativa teorin om effekten utvecklades av en kollega från universitetet i Augsburg, Tyskland, och det internationella forskarteamet publicerade sina resultat i tidskriften Science Advances .
Forskarna namngav fenomenet i enlighet med detta, en "fotoelektrisk effekt i planet." I motsvarande artikel beskriver forskarna flera fördelar med att utnyttja denna effekt för terahertz-detektering. Speciellt är storleken på fotoresponsen som genereras av infallande terahertzstrålning av den "fotoelektriska effekten i planet" mycket högre än förväntat från andra mekanismer som hittills har varit kända för att ge upphov till en terahertz-fotorespons. Således förväntar sig forskarna att denna effekt kommer att möjliggöra tillverkning av terahertzdetektorer med avsevärt högre känslighet.
"Detta tar oss ett steg närmare att göra terahertz-tekniken användbar i den verkliga världen", avslutar Prof Ritchie. + Utforska vidare
