Ny teori for deteksjon av terahertz elektromagnetiske bølger gir håp om fremskritt innen IT og medisin

Å oppdage elektromagnetiske bølger i terahertz-frekvensområdet er fortsatt et utfordrende problem. Forskere fra University of Cambridge, sammen med fysikere fra University of Augsburg, har nylig oppdaget en ny fysisk effekt som kan endre det. I en ny studie utvikler forskerne nå en teori som forklarer mekanismen bak den. Funnene deres gjør det mulig å konstruere små, rimelige og svært følsomme terahertz-detektorer. Disse kan for eksempel brukes i medisinsk diagnostikk, for kontaktløse sikkerhetskontroller, eller for raskere trådløs dataoverføring. Resultatene av den nye teorien er publisert i tidsskriftet Fysisk gjennomgang B.

Når røntgen- eller UV-stråler faller på en metallisk overflate, slår de elektroner ut av materialet. Denne «fotoelektriske effekten» kan danne grunnlaget for detektorer som oppdager tilstedeværelsen av elektromagnetiske bølger.

I en litt modifisert form brukes en lignende effekt i opptaksbrikker til digitale kameraer eller i solceller. Disse reagerer på synlige og infrarødt lys. Imidlertid er energien betydelig lavere enn UV-strålingen og er derfor utilstrekkelig til å frigjøre elektroner fra materialet. I stedet kan strålingen endre de elektriske egenskapene til halvlederstrukturer, som vanligvis er dårlige ledere. Når de utsettes for lys, derimot, blir de ledende eller kan til og med generere spenninger.

Energien til terahertz-stråling er enda lavere enn for synlig eller infrarødt lys. THz-stråling gir vanligvis ikke nok energi selv til å eksitere elektroner i halvledere. For tiden finnes det flere typer detektorer for terahertz-stråling, men det kreves fortsatt mer effektive, billige og kompakte THz-detektorer. Derfor fortsetter forskere å lete etter alternative fysiske prinsipper for å oppdage terahertz-stråling.

“Nylig har vi, sammen med kolleger fra Storbritannia, oppdaget en ny fysisk effekt som tillater konstruksjon av svært sensitive detektorer,” forklarer Dr. Sergey Mikhailov fra Institutt for fysikk ved Universitetet i Augsburg. “Den er basert på halvledermaterialer med en todimensjonal elektrongass – et tynt ledende lag som dannes under halvlederoverflaten. Under visse forhold kan en type fotoelektrisk effekt observeres selv ved terahertz-frekvenser i en slik struktur. Når denne halvlederen strukturen er opplyst av elektromagnetiske bølgeren strøm genereres i den todimensjonale elektrongassen i en retning parallelt med halvlederoverflaten.”

I sitt nåværende arbeid har forskerne utviklet en teori om denne “in-plane fotoelektrisk effekt” som forklarer mekanismen mer detaljert. Ulike spådommer kan utledes fra resultatene deres. For eksempel, basert på effekten, bør det være mulig å konstruere detektorer som er følsomme for hele terahertz-området (stråling med frekvenser mellom 0,1 og 10 terahertz) eller med bølgelengder mellom 3 og 0,03 millimeter.- Dette er et område hvor enhver ny deteksjonsmekanisme er av stor verdi, sier Mikhailov.Teoretisk sett burde det også være mulig å konstruere detektorer som reagerer på svært lave strålingsintensiteter.

Disse kan brukes i ulike applikasjoner. For eksempel kan hudkreftceller lett oppdages ved hjelp av terahertz-stråling. Slike detektorer kan også brukes til å finne de minste mengdene narkotika eller eksplosivt materiale ved sikkerhetskontroller. I tillegg svinger terahertz-bølger frem og tilbake raskere enn elektromagnetisk stråling for tiden brukt i mobilkommunikasjon. Av denne grunn kan de overføre betydelig mer informasjon på samme tid. De nye detektorene kan derfor gi et hastighetsløft for mobilt Internett.

---

---

Levert av Universität Augsburg