Een internationaal onderzoeksteam uit Duitsland, Italië, en het VK heeft een belangrijke fotonica-component ontwikkeld voor het terahertz-spectrale bereik. Door elektronische resonanties in halfgeleider nanostructuren te mengen met het fotonveld van microresonatoren, ze ontwierpen een gekleurde spiegel die gemakkelijker dan ooit bleekt en terahertz-lasers ultrasnel zou kunnen maken. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Natuurcommunicatie .

Terahertz-straling - vaak T-stralen genoemd - markeert een van de laatste grenzen in de fotonica. Gelegen in de spectrale opening tussen microgolfelektronica en infraroodoptiek, T-stralen bieden een enorm toepassingspotentieel, maar ze zijn duur om te genereren. De eerste algemeen beschikbare terahertz-toepassingen variëren van bodyscanners op luchthavens en snelle gasdetectie tot ultrasnelle communicatie. Er zouden nog veel meer ideeën op de markt kunnen komen als ultrakorte pulsen direct kunnen worden gegenereerd in zogenaamde kwantumcascadelasers, speciale soorten elektrisch aangedreven, compacte terahertz-lasers. Deze bronnen werken meestal in continue golfmodus, maar er is algemeen voorspeld dat ze zouden kunnen veranderen in gepulseerde werking als een belangrijk fotonica-element in de laser zou worden opgenomen - een zogenaamde verzadigbare absorber.

Een verzadigbare absorber werkt als een mistige spiegel die tijdelijk helder wordt als het invallende licht te fel wordt. Als al het vermogen in een laser zich in een korte puls concentreert, zou het de absorber gemakkelijk verzadigen en minder verlies lijden dan een continue golfbundel. Dergelijke elementen zijn gemakkelijk verkrijgbaar in optica, terwijl ze in het terahertz-domein alleen hebben bestaan ​​voor onpraktisch intense straling, niet haalbaar met kwantumcascadelasers. Een Europees consortium gevormd door de onderzoeksgroepen van Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Leiden, en Rupert Huber, Universiteit van Regensburg, hebben nu hun krachten gebundeld om een ​​nieuwe klasse verzadigbare absorbers te ontwikkelen die werken bij veel lagere verzadigingsintensiteiten.

Hun nieuwe idee is geïnspireerd op een strategie die bekend is in de muziek:resonatoren. Waar haalt een Steinway piano zijn unieke geluid vandaan? Het geheim zit minder in de snaren dan in het resonerende lichaam. Dit is waar het exacte geluid wordt gedefinieerd en de dynamische respons op een forte toetsaanslag. "We zetten dit idee in wezen om in terahertz-optica, " zegt Jurgen Raab, hoofdauteur van het manuscript. De groep van Miriam Vitiello ontwierp een microgestructureerd geheel van een gouden spiegel en een gouden rooster die samen werken als een resonerend lichaam voor terahertz-straling. Deze resonanties kunnen sterk worden gekoppeld aan elektronen die kunnen springen tussen twee kwantumtoestanden die worden gedefinieerd door een atomair nauwkeurige reeks halfgeleidende nanostructuren, ontworpen en gegroeid in de groep van Edmund Linfield.

De spil:de sterke koppeling tussen de elektronen en de terahertz-microholte resulteert in een excitatie die half elektron is, half terahertz foton. Deze situatie bepaalt niet alleen de "toon" van de resonantie, maar het verandert ook drastisch de manier waarop het systeem reageert op een "forte toetsaanslag, " wat overeenkomt met een intense terahertz-puls. De groep stelde de nieuwe terahertz Steinway tot de ultieme test. In een speciaal ontworpen opstelling in Regensburg, ze richtten een ultrakorte terahertz-puls op de verzadigbare absorber en ontwikkelden een extreme slow-motioncamera om de verzadigingsdynamiek ervan te volgen op de femtoseconde tijdschaal - het miljoenste deel van een miljardste van een seconde.

Het verbluffende resultaat:de absorber was niet alleen veel gemakkelijker te verzadigen dan de elektronische overgang alleen, met ongeveer een orde van grootte. Het verzadigt ook sneller dan een enkele oscillatiecyclus van de terahertz-puls, en de "toon" van de resonator verandert zo goed tijdens het verzadigingsproces dat er in wezen geen absorptie overblijft terwijl de intense THz-puls wordt toegepast. Dit zijn de best mogelijke genen van verzadigbare absorbers. Miriam Vitiello is overtuigd:"Nu hebben we alle componenten bij de hand om ultrasnelle terahertz-kwantumcascadelasers met verzadigbare absorbers te bouwen."

Een dergelijke bron zou de reikwijdte van terahertz-fotonica drastisch kunnen uitbreiden. De frequentie van moderne computers overtreffen met een duizelingwekkende factor van 1000, ultrakorte terahertz-pulsen zouden de ruggengraat kunnen vormen van revolutionaire telecommunicatieverbindingen van de volgende generatie. Compacte kwantumcascadelasers, ultrakorte T-stralen uitzenden, kan ook chemische analyses stimuleren en een enorme verscheidenheid aan toepassingen in diagnostiek en geneeskunde mogelijk maken. Met de huidige resultaten een belangrijke mijlpaal in de richting van deze gedurfde doelen is bereikt.