(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van de Rice University gebruiken koolstofnanobuizen als het kritieke onderdeel van een robuuste terahertz-polarisator die de ontwikkeling van nieuwe beveiligings- en communicatieapparatuur zou kunnen versnellen, sensoren en niet-invasieve medische beeldvormingssystemen, evenals fundamentele studies van laagdimensionale systemen van gecondenseerde materie.

De polarisator ontwikkeld door het Rice lab van Junichiro Kono, een professor in elektrische en computertechniek en van natuurkunde en astronomie, is de meest effectieve ooit gerapporteerd; het laat selectief 100 procent van een terahertz-golf passeren of blokkeert 99,9 procent ervan, afhankelijk van de polarisatie. Het onderzoek is gepubliceerd in de online versie van het tijdschrift American Chemical Society, Nano-letters .

De breedband polarisator verwerkt golven van 0,5 tot 2,2 terahertz, ver overtreft het bereik van commerciële polarisatoren die bestaan ​​​​uit fragiele roosters die zijn omwikkeld met goud- of wolfraamdraden.

Kono zei dat technologieën die gebruik maken van de optische en elektrische gebieden van het elektromagnetische spectrum volwassen en algemeen zijn, zoals in lasers en telescopen aan de ene kant en computers en microgolven aan de andere kant. Maar tot de laatste jaren, de terahertz-regio daartussenin was grotendeels onontgonnen. "In de afgelopen tien jaar of twee, mensen hebben indrukwekkende vooruitgang geboekt, " hij zei, met name bij de ontwikkeling van stralingsbronnen als de terahertz-kwantumcascadelaser.

"We hebben behoorlijk goede terahertz-zenders en -detectoren, maar we hebben een manier nodig om licht in dit bereik te manipuleren, "Zei Kono. "Ons werk valt in deze categorie, het manipuleren van de polarisatietoestand - de richting van het elektrische veld - van terahertz-straling."

Terahertz-golven bestaan ​​op de overgang tussen infrarood en microgolven en hebben unieke eigenschappen. Ze zijn niet schadelijk en doordringen stof, hout, plastic en zelfs wolken, maar geen metaal of water. In combinatie met spectroscopie, ze kunnen worden gebruikt om te lezen wat Kono "spectrale vingerafdrukken in het terahertz-bereik" noemde; hij zei dat ze zouden, bijvoorbeeld, nuttig zijn in een beveiligingsomgeving om de chemische handtekeningen van specifieke explosieven te identificeren.

Het werk van Kono en hoofdauteur Lei Ren, die onlangs promoveerde bij Rice, maakt veel gebruik van het fundamentele onderzoek naar koolstofnanobuisjes waar de universiteit bekend om staat. Co-auteurs Robert Hauge, een voorname faculteitsgenoot in de chemie, en zijn voormalige afgestudeerde student Cary Pint ontwikkelde een manier om nanobuistapijten te laten groeien en goed uitgelijnde arrays van nanobuisjes van een katalysator over te brengen naar elk substraat dat ze kozen, alleen beperkt door de grootte van het groeiplatform.

Terwijl Hauge en Pint hun nanobuisarrays aan het ontwikkelen waren, Kono en zijn team dachten aan terahertz. Vier jaar geleden, ze kwamen een halfgeleidend materiaal tegen, indium antimonide, die terahertz-golven zouden stoppen of passeren, maar alleen in een sterk magnetisch veld en bij zeer lage temperaturen.

Ongeveer tegelijkertijd, Kono's laboratorium begon te werken met koolstofnanobuisjes die door Pint en Hauge op een saffiersubstraat werden overgebracht. Die uitgelijnde arrays -- denk aan een tarweveld overreden door een stoomwals -- bleken zeer effectief te zijn in het filteren van terahertz-golven, zoals Kono en zijn team meldden in een krant uit 2009.

"Toen de polarisatie van de terahertz-golf loodrecht op de nanobuisjes stond, er was absoluut geen demping, "Kono herinnerde zich. "Maar toen de polarisatie evenwijdig was aan de nanobuisjes, de dikte was niet genoeg om de transmissie volledig te doden, die was nog steeds op 30-50 procent."

Het antwoord was duidelijk:maak de polarisator dikker. De huidige polarisator heeft drie stapels uitgelijnde nanobuisjes op saffier, genoeg om alle invallende terahertzstraling effectief te absorberen. "Onze werkwijze is uniek, en het is eenvoudig, " hij zei.

Kono ziet het gebruik van het apparaat voorbij spectroscopie door het te manipuleren met een elektrisch veld, maar dat wordt pas mogelijk als alle nanobuisjes in een array van het halfgeleidende type zijn. Zoals ze nu gemaakt zijn, batches nanobuisjes zijn een willekeurige mix van halfgeleiders en metalen; recent werk van Erik Hároz, een afgestudeerde student in Kono's lab, gedetailleerd de redenen dat nanobuisjes gescheiden door ultracentrifugatie typeafhankelijke kleuren hebben. Maar het vinden van een manier om specifieke soorten nanobuisjes te laten groeien, is de focus van veel onderzoek bij Rice en elders.