Terahertz-golven worden steeds belangrijker in wetenschap en technologie. Ze stellen ons in staat om de eigenschappen van toekomstige materialen te ontrafelen, test de kwaliteit van autolak en schermomhulsels. Maar het genereren van deze golven is nog steeds een uitdaging. Een team bij Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), De TU Dresden en de Universiteit van Konstanz hebben nu aanzienlijke vooruitgang geboekt. De onderzoekers hebben een germaniumcomponent ontwikkeld die korte terahertz-pulsen genereert met een voordelige eigenschap:de pulsen hebben een extreem breedbandig spectrum en leveren dus veel verschillende terahertz-frequenties tegelijk. Aangezien het mogelijk is geweest het onderdeel te vervaardigen met behulp van methoden die al in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt, de ontwikkeling belooft een breed scala aan toepassingen in onderzoek en technologie, zoals het team meldt in het journaal Licht:wetenschap en toepassingen .

Net als licht, terahertz-golven worden gecategoriseerd als elektromagnetische straling. In het spectrum, ze vallen precies tussen microgolven en infraroodstraling. Maar hoewel microgolven en infraroodstraling al lang ons dagelijks leven zijn binnengedrongen, terahertz-golven worden nog maar net gebruikt. De reden is dat experts pas sinds het begin van de jaren 2000 redelijk aanvaardbare bronnen voor terahertz-golven hebben kunnen construeren. Maar deze zenders zijn nog steeds niet perfect - ze zijn relatief groot en duur, en de straling die ze uitzenden heeft niet altijd de gewenste eigenschappen.

Een van de gevestigde generatiemethoden is gebaseerd op een galliumarsenidekristal. Als dit halfgeleiderkristal wordt bestraald met korte laserpulsen, galliumarsenide ladingsdragers worden gevormd. Deze ladingen worden versneld door het aanleggen van spanning die het genereren van een terahertz-golf afdwingt - in feite hetzelfde mechanisme als in een VHF-zendmast waar bewegende ladingen radiogolven produceren.

Echter, deze methode heeft een aantal nadelen:"Het kan alleen worden bediend met relatief dure speciale lasers, " legt HZDR-fysicus Dr. Harald Schneider uit. "Met standaardlasers van het type dat we gebruiken voor glasvezelcommunicatie, het werkt niet." Een andere tekortkoming is dat galliumarsenidekristallen alleen relatief smalbandige terahertz-pulsen afgeven en dus een beperkt frequentiebereik, wat het toepassingsgebied aanzienlijk beperkt.

Edelmetalen implantaten

Dat is de reden waarom Schneider en zijn team inzetten op een ander materiaal:het halfgeleidergermanium. "Met germanium kunnen we goedkopere lasers gebruiken die bekend staan ​​als fiberlasers, " zegt Schneider. "Bovendien, germaniumkristallen zijn zeer transparant en vergemakkelijken zo de emissie van zeer breedbandige pulsen." Maar, tot dusver, ze hebben een probleem gehad:als je puur germanium bestraalt met een korte laserpuls, het duurt enkele microseconden voordat de elektrische lading in de halfgeleider verdwijnt. Alleen dan kan het kristal de volgende laserpuls opvangen. De lasers van vandaag, echter, kunnen hun pulsen afvuren met tussenpozen van enkele tientallen nanoseconden - een reeks schoten die veel te snel is voor germanium.

Om deze moeilijkheid te overwinnen, experts zochten naar een manier om de elektrische ladingen in het germanium sneller te laten verdwijnen. En ze vonden het antwoord in een prominent edelmetaal:goud. "We gebruikten een ionenversneller om goudatomen in een germaniumkristal te schieten, " legt de collega van Schneider uit, Dr. Abhishek Singh. "Het goud drong het kristal binnen tot een diepte van 100 nanometer." De wetenschappers verwarmden het kristal vervolgens enkele uren op 900 graden Celsius. De warmtebehandeling zorgde ervoor dat de goudatomen gelijkmatig in het germaniumkristal werden verdeeld.

Het succes begon toen het team het gepeperde germanium verlichtte met ultrakorte laserpulsen:in plaats van enkele microseconden in het kristal te blijven hangen, de elektrische ladingsdragers verdwenen weer in minder dan twee nanoseconden - ongeveer duizend keer sneller dan voorheen. Figuurlijk spreken, het goud werkt als een val, helpen om de kosten te vangen en te neutraliseren. "Nu kan het germaniumkristal worden gebombardeerd met laserpulsen met een hoge herhalingssnelheid en nog steeds functioneren, " Singh is verheugd te kunnen melden.

Goedkope fabricage mogelijk

De nieuwe methode maakt terahertz-pulsen mogelijk met een extreem brede bandbreedte:in plaats van 7 terahertz met behulp van de gevestigde gallium-arsenidetechniek, het is nu tien keer groter - 70 terahertz. “We krijgen een brede continu, gapless spectrum in één klap", Harald Schneider is enthousiast. "Hierdoor hebben we een echt veelzijdige bron in huis die voor de meest uiteenlopende toepassingen kan worden ingezet." Een ander voordeel is dat, effectief, germaniumcomponenten kunnen worden verwerkt met dezelfde technologie die wordt gebruikt voor microchips. "In tegenstelling tot galliumarsenide, germanium is compatibel met silicium, " merkt Schneider op. "En aangezien de nieuwe componenten samen met standaard glasvezellasers kunnen worden gebruikt, je zou de technologie redelijk compact en goedkoop kunnen maken."

Dit zou met goud gedoteerd germanium een ​​interessante optie moeten maken, niet alleen voor wetenschappelijke toepassingen, zoals de gedetailleerde analyse van innovatieve tweedimensionale materialen zoals grafeen, maar ook voor toepassingen in de geneeskunde en milieutechnologie. Men zou zich sensoren kunnen voorstellen, bijvoorbeeld, die bepaalde gassen in de atmosfeer traceren door middel van hun terahertz-spectrum. De huidige terahertzbronnen zijn daarvoor nog te duur. De nieuwe methoden, ontwikkeld in Dresden-Rossendorf, zou kunnen helpen om dergelijke omgevingssensoren in de toekomst veel goedkoper te maken.