Onderzoekers hebben in tweedimensionale geleidende systemen een nieuw effect ontdekt dat betere prestaties van terahertz-detectoren belooft.

Een team van wetenschappers van het Cavendish Laboratory heeft samen met collega's van de universiteiten van Augsburg (Duitsland) en Lancaster een nieuw fysiek effect gevonden wanneer tweedimensionale elektronensystemen worden blootgesteld aan terahertz-golven.

Allereerst, wat zijn terahertz-golven? "We communiceren via mobiele telefoons die microgolfstraling uitzenden en gebruiken infraroodcamera's voor nachtzicht. Terahertz is het type elektromagnetische straling dat tussen microgolf- en infraroodstraling ligt", legt prof. David Ritchie, hoofd van de Semiconductor Physics Group bij de Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge, "maar op dit moment is er een gebrek aan bronnen en detectoren van dit type straling die goedkoop, efficiënt en gebruiksvriendelijk zouden zijn. Dit belemmert het wijdverbreide gebruik van terahertz-technologie."

Onderzoekers van de Semiconductor Physics-groep, samen met onderzoekers uit Pisa en Torino in Italië, waren de eersten die in 2002 de werking van een laser op terahertz-frequenties demonstreerden, een kwantumcascadelaser. Sindsdien is de groep doorgegaan met het onderzoeken van terahertz-fysica en -technologie en onderzoekt en ontwikkelt ze momenteel functionele terahertz-apparaten die metamaterialen bevatten om modulatoren te vormen, evenals nieuwe soorten detectoren.

Als het gebrek aan bruikbare apparaten zou worden opgelost, zou terahertz-straling veel nuttige toepassingen kunnen hebben in beveiliging, materiaalwetenschap, communicatie en geneeskunde. Terahertz-golven maken bijvoorbeeld de beeldvorming mogelijk van kankerweefsel dat niet met het blote oog kon worden gezien. Ze kunnen worden gebruikt in nieuwe generaties veilige en snelle luchthavenscanners die het mogelijk maken om medicijnen te onderscheiden van illegale drugs en explosieven, en ze kunnen worden gebruikt om nog snellere draadloze communicatie mogelijk te maken die verder gaat dan de stand van de techniek.

Dus, waar gaat de recente ontdekking over? "We waren een nieuw type terahertz-detector aan het ontwikkelen", zegt dr. Wladislaw Michailow, Junior Research Fellow aan het Trinity College Cambridge, "maar bij het meten van de prestaties bleek dat het een veel sterker signaal vertoonde dan theoretisch verwacht mag worden. Dus we hebben een nieuwe verklaring bedacht."

Deze verklaring ligt, zoals de wetenschappers zeggen, in de manier waarop licht interageert met materie. Bij hoge frequenties absorbeert materie licht in de vorm van afzonderlijke deeltjes - fotonen. Deze interpretatie, voor het eerst voorgesteld door Einstein, vormde de basis van de kwantummechanica en verklaarde het foto-elektrische effect. Deze kwantumfoto-excitatie is hoe licht wordt gedetecteerd door camera's in onze smartphones; het is ook wat elektriciteit opwekt uit licht in zonnecellen.

Het bekende foto-elektrische effect bestaat uit het vrijkomen van elektronen uit een geleidend materiaal - een metaal of een halfgeleider - door invallende fotonen. In het driedimensionale geval kunnen elektronen in vacuüm worden verdreven door fotonen in het ultraviolette of röntgenbereik, of worden vrijgelaten in een diëlektricum in het midden-infrarood tot zichtbaar bereik. De nieuwigheid zit in de ontdekking van een kwantumfoto-excitatieproces in het terahertz-bereik, vergelijkbaar met het foto-elektrische effect. "Het feit dat dergelijke effecten kunnen bestaan ​​in sterk geleidende, tweedimensionale elektronengassen bij veel lagere frequenties is tot nu toe niet begrepen", legt Wladislaw, eerste auteur van de studie, uit, "maar we hebben dit experimenteel kunnen bewijzen." De kwantitatieve theorie van het effect is ontwikkeld door een collega van de Universiteit van Augsburg, Duitsland, en het internationale team van onderzoekers publiceerde hun bevindingen in het tijdschrift Science Advances .

De onderzoekers noemden het fenomeen daarom een ​​"in-plan foto-elektrisch effect". In het bijbehorende artikel beschrijven de wetenschappers verschillende voordelen van het benutten van dit effect voor terahertz-detectie. In het bijzonder is de grootte van de fotorespons die wordt gegenereerd door invallende terahertz-straling door het "in-plane foto-elektrisch effect" veel hoger dan verwacht van andere mechanismen waarvan tot nu toe bekend was dat ze aanleiding gaven tot een terahertz-fotorespons. De wetenschappers verwachten dus dat dit effect de fabricage van terahertz-detectoren met een aanzienlijk hogere gevoeligheid mogelijk zal maken.

"Dit brengt ons een stap dichter bij het bruikbaar maken van terahertz-technologie in de echte wereld", besluit prof. Ritchie. + Verder verkennen

Resonante tunneling diode-oscillatoren voor terahertz-golfdetectie