Terahertz (THz) straling lijkt een beetje op een schatkist die niet volledig geopend kan worden. Woonachtig in het elektromagnetische spectrum tussen de infrarood- en microgolfgebieden, THz-straling combineert een scala aan eigenschappen die ideaal zijn met het oog op toepassingen. Het biedt een venster naar unieke spectroscopische informatie over moleculen en vaste stoffen, het kan doordringen in niet-geleidende materialen zoals textiel en biologisch weefsel, en het doet dit zonder het object te ioniseren - en dus te beschadigen, of onderwerp, in studie. Dit opent intrigerende perspectieven voor niet-invasieve beeldvorming en niet-destructieve kwaliteitscontrole, onder andere toepassingen. Maar hoewel er geen gebrek is aan ideeën voor mogelijke toepassingen, de implementatie ervan wordt belemmerd door een gebrek aan praktische technologieën voor het genereren en detecteren van THz-straling.

Vandaar de opwinding als Lorenzo Bosco, Martin Franckié en collega's van de groep van Jérôme Faist van het Institute for Quantum Electronics van ETH Zürich rapporteerden de realisatie van een THz-kwantumcascadelaser die werkt bij een temperatuur van 210 K (-63 ° C). Dat is de hoogste bedrijfstemperatuur die tot nu toe voor dit type apparaat is bereikt. Belangrijker, dit is de eerste keer dat de werking van een dergelijk apparaat is aangetoond in een temperatuurregime waar geen cryogene koelmiddelen nodig zijn. In plaats daarvan, Bosco et al. een thermo-elektrische koeler gebruikt, die veel compacter is, goedkoper en gemakkelijker te onderhouden dan cryogene apparatuur. Met dit voorschot ze hebben de belangrijkste obstakels op de route naar verschillende praktische toepassingen weggenomen.

Een cascade naar toepassingen

Kwantumcascadelasers (QCL's) zijn al lang een natuurlijk concept voor THz-apparaten. Zoals veel lasers die veel worden gebruikt als lichtbronnen in het zichtbaar-naar-infrarood frequentiegebied, QCL's zijn gebaseerd op halfgeleidermaterialen. Maar vergeleken met typische halfgeleiderlasers die worden gebruikt, bijvoorbeeld, in barcodelezers of laserpointers, QCL's werken volgens een fundamenteel ander concept om lichtemissie te bereiken. Kortom, ze zijn opgebouwd rond herhaalde stapels nauwkeurig ontworpen halfgeleiderstructuren (zie de afbeelding, paneel c), die zodanig zijn ontworpen dat daarin passende elektronische overgangen plaatsvinden (paneel d).

QCL's werden in 1971 voorgesteld, maar werden pas in 1994 voor het eerst gedemonstreerd, door Faist en collega's, daarna werkzaam bij Bell Laboratories (VS). De aanpak heeft zijn waarde bewezen in een breed scala aan experimenten, zowel fundamenteel als toegepast, voornamelijk in het infrarode gebied. De ontwikkeling van QCL's voor THz-emissie heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt, te, vanaf 2001. Wijdverbreid gebruik werd echter belemmerd door de behoefte aan cryogene koelmiddelen - meestal vloeibaar helium - wat aanzienlijke complexiteit en kosten met zich meebrengt, en maakt apparaten groot en minder mobiel. Vooruitgang in de richting van de werking van THz QCL's bij hogere temperaturen is in wezen zeven jaar geleden op het punt blijven steken, wanneer de werking van apparaten bij ongeveer 200 K (-73 ° C) werd bereikt.

Barrière overschreden

Het bereiken van 200 K was een indrukwekkende prestatie. die temperatuur, echter, ligt net onder de grens waar cryogene technieken kunnen worden vervangen door thermo-elektrische koeling. Dat de recordtemperatuur sinds 2012 niet is veranderd, betekende ook dat er een soort 'psychologische barrière' begon te stijgen - velen in het veld begonnen te accepteren dat THz QCL's altijd in combinatie met een cryogene koeler zouden moeten werken.

Het ETH-team heeft die barrière nu doorbroken. Inschrijven Technische Natuurkunde Brieven , ze presenteren een thermo-elektrisch gekoelde THz QCL, werkend bij temperaturen tot 210°K. Bovendien, het uitgezonden laserlicht was sterk genoeg om te meten met een kamertemperatuurdetector. Dit betekent dat de hele opstelling werkte zonder cryogene koeling, verdere versterking van het potentieel van de aanpak voor praktische toepassingen.

Bosco, Franckié en hun medewerkers slaagden erin om de 'koelbarrière' te verwijderen dankzij twee gerelateerde prestaties. Eerst, ze gebruikten bij het ontwerp van hun QCL-stacks de eenvoudigst mogelijke eenheidsstructuur, op basis van twee zogenaamde kwantumputten per periode (zie de figuur, paneel d). Van deze aanpak is bekend dat het een weg is naar hogere bedrijfstemperaturen, maar tegelijkertijd is dit ontwerp met twee putten ook extreem gevoelig voor de kleinste veranderingen in de geometrie van halfgeleiderstructuren. Het optimaliseren van prestaties ten opzichte van de ene parameter kan leiden tot degradatie ten opzichte van een andere. Aangezien systematische experimentele optimalisatie geen haalbare optie is, ze moesten vertrouwen op numerieke modellering.

Dit is het tweede gebied waarop de groep aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt. In het recente werk, ze hebben vastgesteld dat ze complexe experimentele QCL-apparaten nauwkeurig kunnen simuleren, met behulp van een benadering die bekend staat als het functiemodel van niet-evenwicht Green. De berekeningen moeten worden uitgevoerd op een krachtig computercluster, maar ze zijn efficiënt genoeg om systematisch naar optimale ontwerpen te zoeken. Het vermogen van de groep om de eigenschappen van apparaten nauwkeurig te voorspellen - en om apparaten te fabriceren volgens nauwkeurige specificaties - gaf hen de tools om een ​​reeks lasers te realiseren die consistent werken bij temperaturen die kunnen worden bereikt met thermo-elektrische koeling (zie de afbeelding, panelen a en b). En de aanpak is zeker niet uitgeput. Ideeën om de bedrijfstemperatuur verder omhoog te duwen, bestaan ​​in de Faist-groep, en de voorlopige resultaten zien er veelbelovend uit.

Het THz-gat vullen

De eerste demonstratie van een terahertz-kwantumcascadelaser die zonder cryogene koeling werkt, vormt een belangrijke stap op weg naar het opvullen van de 'THz-kloof', die al lang bestaat tussen de volwassen technologieën voor microgolf- en infraroodstraling. Zonder bewegende delen of circulerende vloeistoffen, het soort thermo-elektrisch gekoelde THz QCL's dat nu door de ETH-fysici is geïntroduceerd, kan gemakkelijker worden toegepast en onderhouden buiten de grenzen van gespecialiseerde laboratoria - waardoor het deksel van de 'THZ-schatkist' verder omhoog komt.