Het detecteren van elektromagnetische golven in het terahertz-frequentiebereik blijft een uitdagend probleem. Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben onlangs samen met natuurkundigen van de Universiteit van Augsburg een nieuw fysiek effect ontdekt dat daar verandering in zou kunnen brengen. In een nieuwe studie ontwikkelen de wetenschappers nu een theorie die het mechanisme erachter verklaart. Hun bevindingen maken het mogelijk om kleine, goedkope en zeer gevoelige terahertz-detectoren te bouwen. Deze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt bij medische diagnostiek, voor contactloze beveiligingscontroles of voor snellere draadloze gegevensoverdracht. De resultaten van de nieuwe theorie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B .

Wanneer röntgen- of UV-stralen op een metalen oppervlak vallen, slaan ze elektronen uit het materiaal. Dit "foto-elektrisch effect" kan de basis vormen voor detectoren die de aanwezigheid van elektromagnetische golven detecteren.

In licht gewijzigde vorm wordt een soortgelijk effect gebruikt in de opnamechips van digitale camera's of in zonnecellen. Deze reageren op zichtbaar en infrarood licht. De energie ervan is echter aanzienlijk lager dan die van UV-straling en is daarom onvoldoende om elektronen uit het materiaal vrij te maken. In plaats daarvan kan de straling de elektrische eigenschappen van halfgeleiderstructuren, die meestal slechte geleiders zijn, veranderen. Bij blootstelling aan licht worden ze daarentegen geleidend of kunnen ze zelfs spanningen genereren.

De energie van terahertz-straling is zelfs lager dan die van zichtbaar of infrarood licht. THz-straling levert meestal niet genoeg energie, zelfs niet om elektronen in halfgeleiders te exciteren. Momenteel bestaan ​​er verschillende soorten detectoren van terahertzstraling, maar er zijn nog steeds efficiëntere, goedkope en compactere THz-detectoren nodig. Daarom blijven onderzoekers zoeken naar alternatieve fysische principes om terahertz-straling te detecteren.

"Onlangs hebben we samen met collega's uit het VK een nieuw fysiek effect ontdekt dat de constructie van zeer gevoelige detectoren mogelijk maakt", legt Dr. Sergey Mikhailov van het Institute of Physics van de Universiteit van Augsburg uit. "Het is gebaseerd op halfgeleidermaterialen met een tweedimensionaal elektronengas - een dunne geleidende laag die zich onder het halfgeleideroppervlak vormt. Onder bepaalde omstandigheden kan in zo'n structuur zelfs bij terahertz-frequenties een soort foto-elektrisch effect worden waargenomen. Wanneer deze halfgeleider structuur wordt verlicht door elektromagnetische golven, wordt een stroom gegenereerd in het tweedimensionale elektronengas in een richting evenwijdig aan het halfgeleideroppervlak."

In hun huidige werk hebben de onderzoekers een theorie ontwikkeld over dit "in-plan foto-elektrisch effect", dat het mechanisme in meer detail verklaart. Uit hun resultaten kunnen verschillende voorspellingen worden afgeleid. Op basis van het effect zou het bijvoorbeeld mogelijk moeten zijn om detectoren te construeren die gevoelig zijn voor het gehele terahertz-bereik (straling met frequenties tussen 0,1 en 10 terahertz of met golflengten tussen 3 en 0,03 millimeter). "Dit is een gebied waar elk nieuw detectiemechanisme van grote waarde is", zegt Mikhailov. Theoretisch zou het ook mogelijk moeten zijn om detectoren te bouwen die reageren op zeer lage stralingsintensiteiten.

Deze kunnen in verschillende toepassingen worden gebruikt. Met behulp van terahertz-straling kunnen bijvoorbeeld huidkankercellen gemakkelijk worden opgespoord. Dergelijke detectoren kunnen ook worden gebruikt om de kleinste hoeveelheden drugs of explosief materiaal te vinden bij veiligheidscontroles. Bovendien oscilleren terahertz-golven sneller heen en weer dan de elektromagnetische straling die momenteel wordt gebruikt in mobiele communicatie. Om deze reden kunnen ze aanzienlijk meer informatie in dezelfde hoeveelheid tijd verzenden. De nieuwe detectoren zouden dus een snelheidsboost kunnen opleveren voor mobiel internet. + Verder verkennen

Een stap dichter bij het bruikbaar maken van terahertz-technologie in de echte wereld