Människor har utnyttjat stora delar av det elektromagnetiska spektrumet för olika tekniker, från röntgenstrålar till radioapparater, men en bit av det spektrumet har i stort sett varit utom räckhåll. Detta är känt som terahertz -gapet, belägen mellan radiovågor och infraröd strålning, två delar av spektrumet vi använder i vardagsteknik inklusive mobiltelefoner, TV -fjärrkontroller och brödrostar.

En teori som utvecklats av den avlidne Stanford-professorn och nobelpristagaren Felix Bloch föreslog att ett särskilt strukturerat material som tillät elektroner att svänga på ett visst sätt skulle kunna leda dessa eftertraktade terahertz-signaler.

Nu, decennier efter Blochs teori, Stanford -fysiker kan ha utvecklat material som möjliggör dessa teoretiserade svängningar, någon gång möjliggör förbättringar av teknik från solceller till flygplatsskannrar. Gruppen publicerade sina fynd i 29 september -numret av Vetenskap .

Innovationer i supergittermaterial

Forskare har länge tänkt att material med upprepande rumsmönster på nanoskala kan möjliggöra Blochs svängningar, men tekniken håller bara på att komma ikapp teorin. Ett sådant material kräver att elektroner färdas långa sträckor utan avböjning, där även den minsta ofullkomligheten i mediet genom vilket elektronerna flödar kan sätta dem från sin ursprungliga väg, som en bäck som försöker slingra sig över och runt stenar och fallna träd.

Sprudlande forskning inom tvådimensionella material och supergaller kan göra denna typ av material till verklighet. Superlattices är halvledare gjorda av skikt av ultratunna material vars atomer är arrangerade i ett periodiskt gittermönster.

För denna studie, forskarna skapade ett tvådimensionellt supergitter genom att lägga ett ark med atomtunn grafen mellan två ark elektriskt isolerande bornitrid. Atomerna i grafen och bornitrid har något olika avstånd, så när de staplas ovanpå varandra skapar de ett speciellt våginterferensmönster som kallas ett moirémönster.

Nya användningsområden för elektroner

Skyddad mot luft och föroreningar av bornitrid ovanför och under, elektroner i grafenflödet längs släta banor utan avböjning, precis som teorin föreslog skulle behövas för att leda terahertz -signaler. Forskarna kunde skicka elektroner genom grafenarket, samla dem på andra sidan och använd dem för att därmed utläsa elektronernas aktivitet längs vägen.

Vanligtvis, när en spänning appliceras över en kristall, elektroner accelereras kontinuerligt i det elektriska fältets riktning tills de avböjs. I detta moiré supergitter, forskare visade att elektronerna kan begränsas till smalare energiband, sa fysikprofessorn David Goldhaber-Gordon, medförfattare till studien. Kombinerat med mycket långa tider mellan avböjningar, detta bör leda till att elektronerna svänger på plats och avger strålning i terahertz -frekvensområdet. Detta är en grundläggande framgång på vägen mot att skapa kontrollerad emission och avkänning av terahertz -frekvenser.

Förutom att föra Blochs teori närmare verkligheten, forskarna hittade en helt överraskande förändring i den elektroniska strukturen i deras supergittermaterial.

"I halvledare, som kisel, vi kan ställa in hur många elektroner som är packade i detta material, "sa Goldhaber-Gordon." Om vi ​​lägger in extra, de beter sig som om de är negativt laddade. Om vi ​​tar ut några, den ström som rör sig genom systemet beter sig som om den istället består av positiva laddningar, även om vi vet att det är elektroner. "

Men detta supergitter ger en ny twist:Att lägga till ännu fler elektroner ger partiklar med positiv laddning, och tar ut ännu mer avkastning till negativ laddning.

Framtida tillämpningar av denna vändning i elektronernas karaktär kan komma i form av mer effektiva p-n-korsningar, som är avgörande byggstenar för de flesta halvledarelektroniska enheter som solceller, Lysdioder och transistorer. I vanliga fall, om man lyser på en p-n-korsning, att skicka ut en elektron för varje absorberad foton anses vara utmärkt prestanda. Men dessa nya korsningar kan avge flera elektroner per foton, skördar ljusets energi mer effektivt.

Terahertz och Stanford, förflutna och framtid

Även om denna nya forskning ännu inte har skapat en Bloch -oscillator, forskarna har uppnått det första steget genom att visa att momenten och hastigheten hos en elektron kan bevaras under långa tider och avstånd inom detta supergitter, sa Menyoung Lee, medförfattare till studien som genomförde forskningen som doktorand i Goldhaber-Gordon Group.

"Vi tillämpar de allra första originallektionerna i solid-state fysik som Felix Bloch kom på för länge sedan, och det visar sig att vi kan använda det för att driva unika ledningsfenomen i nya konstruerade material, "Sa Lee.

Terahertz frekvens teknik kan så småningom bli en förbättring av dagens teknik. När amerikanska flygplatser skannar passagerare vid säkerhetskontroller idag, de använder mikrovågor, som tränger in i icke -metalliska material för att avslöja dolda metallföremål. Goldhaber-Gordon förklarade att terahertz har liknande överföringsegenskaper men kortare våglängd, potentiellt avslöjar även icke -metall dolda föremål med hög upplösning. Han tillade att terahertz -skannrar också kan användas för att upptäcka defekter som dolda håligheter i föremål på en tillverkningsband.

Den rena elektroniska ledningen som demonstrerades i detta arbete ytterligare främjade förståelsen för hur elektroner interagerar och flödar, och Goldhaber-Gordon sa att hans labb planerar att använda dessa insikter för att arbeta med att skapa extremt smala strålar av elektroner för att skicka genom superlattices. Han kallade detta nya fält för "elektronoptik i 2-D-material" eftersom dessa strålar färdas i raka linjer och följer brytningslagar på samma sätt som ljusstrålar.

"Det här kommer att bli ett område som öppnar många nya möjligheter, "sa Goldhaber-Gordon, "och vi är bara i början av att utforska vad vi kan göra."