Natuurkundigen van de Universiteit van Sussex hebben een extreem dunne, groot oppervlak halfgeleider oppervlaktebron van terahertz, samengesteld uit slechts een paar atomaire lagen en compatibel met bestaande elektronische platforms.

Terahertz-bronnen zenden korte lichtpulsen uit die oscilleren met 'biljoen keer per seconde'. Op deze schaal, ze zijn te snel om te worden afgehandeld door standaard elektronica, en, tot voor kort, te traag om te worden verwerkt door optische technologieën. Dit is van groot belang voor de evolutie van ultrasnelle communicatieapparatuur boven de 300GHz-limiet, zoals die vereist is voor 6G-mobiele telefoontechnologie, iets dat nog steeds fundamenteel boven de limiet van de huidige elektronica ligt.

Onderzoekers in het Emergent Photonics (EPic) Lab in Sussex, onder leiding van de directeur van het Emergent Photonics (EPic) Lab Professor Marco Peccianti, zijn leiders op het gebied van oppervlakte-terahertz-emissietechnologie en hebben tot nu toe de helderste en dunste oppervlaktehalfgeleiderbronnen bereikt. Het emissiegebied van hun nieuwe ontwikkeling, een halfgeleiderbron van terahertz, is 10 keer dunner dan eerder bereikt, met vergelijkbare of zelfs betere prestaties.

De dunne lagen kunnen bovenop bestaande objecten en apparaten worden geplaatst, wat betekent dat ze een terahertz-bron kunnen plaatsen op plaatsen die anders ondenkbaar zouden zijn geweest, inclusief alledaags object zoals een theepot of zelfs een kunstwerk - wat een enorm potentieel biedt voor de bestrijding van namaak en 'het internet der dingen' - evenals voorheen onverenigbare elektronica, zoals een volgende generatie mobiele telefoon.

Dr. Juan S. Totero Gongora, Leverhulme Early Career Fellow aan de Universiteit van Sussex, zei:"Vanuit een natuurkundig perspectief, onze resultaten bieden een lang gezocht antwoord dat teruggaat tot de eerste demonstratie van terahertz-bronnen op basis van tweekleurenlasers. Halfgeleiders worden veel gebruikt in elektronische technologieën, maar zijn grotendeels buiten bereik gebleven voor dit type terahertz-generatiemechanisme. Onze bevindingen openen daarom een ​​breed scala aan opwindende mogelijkheden voor terahertz-technologieën."

Dr. Luke Peters, Research Fellow van het European Research Council-project TIMING aan de Universiteit van Sussex, zei:"Het idee om terahertz-bronnen op ontoegankelijke plaatsen te plaatsen, heeft een grote wetenschappelijke aantrekkingskracht, maar is in de praktijk een grote uitdaging. Terahertz-straling kan een overtreffende trap hebben in de materiaalwetenschap, levenswetenschappen en veiligheid. Hoe dan ook, het is nog steeds vreemd aan de meeste bestaande technologie, waaronder apparaten die met alledaagse voorwerpen praten als onderdeel van het snel groeiende 'internet of things'. Dit resultaat is een mijlpaal in onze route om terahertz-functies dichter bij ons dagelijks leven te brengen."

Liggend tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum, terahertz-golven zijn een vorm van straling die zeer gewild is in onderzoek en industrie. Ze hebben een natuurlijk vermogen om de materiële samenstelling van een object te onthullen door gemakkelijk door te dringen in gewone materialen zoals papier, kleding en plastic op dezelfde manier als röntgenstralen doen, maar zonder schadelijk te zijn.

Terahertz-beeldvorming maakt het mogelijk om de moleculaire samenstelling van objecten te 'zien' en onderscheid te maken tussen verschillende materialen. Eerdere ontwikkelingen van het team van Prof Peccianti toonden de mogelijke toepassingen van terahertz-camera's, die ingrijpend kunnen zijn voor de beveiliging van luchthavens, en medische scanners, zoals die worden gebruikt om huidkanker op te sporen.

Een van de grootste uitdagingen waarmee wetenschappers die met terahertz-technologie werken te maken krijgen, is dat wat algemeen wordt beschouwd als een 'intense terahertz-bron' zwak en omvangrijk is in vergelijking met, bijvoorbeeld, een gloeilamp. Vaak, de behoefte aan zeer exotische materialen, zoals niet-lineaire kristallen, maakt ze onpraktisch en duur. Deze eis stelt logistieke uitdagingen voor integratie met andere technologieën, zoals sensoren en ultrasnelle communicatie.

Het Sussex-team heeft deze beperkingen overwonnen door terahertz-bronnen te ontwikkelen uit extreem dunne materialen (ongeveer 25 atomaire lagen). Door een halfgeleider van elektronische kwaliteit te verlichten met twee verschillende soorten laserlicht, elk oscillerend met een andere frequentie of kleur, ze waren in staat om de emissie van korte uitbarstingen van Terahertz-straling op te wekken.

Deze wetenschappelijke doorbraak is lang gezocht door wetenschappers die in het veld werken sinds de eerste demonstratie van terahertz-bronnen op basis van tweekleurenlasers in de vroege jaren 2000. Tweekleurige terahertz-bronnen op basis van speciale gasmengsels, zoals stikstof, argon of krypton, behoren tot de best presterende bronnen die vandaag beschikbaar zijn. Halfgeleiders, veel gebruikt in elektronische technologieën, zijn grotendeels onbereikbaar gebleven voor dit type terahertz-generatiemechanisme.