Mensen hebben grote delen van het elektromagnetische spectrum benut voor diverse technologieën, van röntgenfoto's tot radio's, maar een deel van dat spectrum is grotendeels buiten bereik gebleven. Dit staat bekend als de terahertz-kloof, gelegen tussen radiogolven en infraroodstraling, twee delen van het spectrum dat we gebruiken in alledaagse technologieën, waaronder mobiele telefoons, TV-afstandsbedieningen en broodroosters.

Een theorie ontwikkeld door wijlen Stanford-professor en Nobelprijswinnaar Felix Bloch suggereerde dat een speciaal gestructureerd materiaal dat elektronen op een bepaalde manier liet oscilleren, deze gewilde terahertz-signalen zou kunnen geleiden.

Nutsvoorzieningen, decennia na de theorie van Bloch, Natuurkundigen van Stanford hebben mogelijk materialen ontwikkeld die deze theoretische oscillaties mogelijk maken, op een dag zorgen voor verbeteringen in technologieën van zonnecellen tot scanners op luchthavens. De groep publiceerde hun bevindingen in het nummer van 29 september van: Wetenschap .

Innovaties in superroostermaterialen

Onderzoekers hebben lang gedacht dat materialen met zich herhalende ruimtelijke patronen op nanoschaal Bloch's oscillaties mogelijk zouden kunnen maken, maar de technologie haalt de theorie nog maar net in. Zo'n materiaal vereist dat elektronen lange afstanden afleggen zonder afbuiging, waar zelfs de kleinste onvolkomenheid in het medium waardoor de elektronen stromen ze van hun oorspronkelijke pad kan afbrengen, als een stroom die over en rond rotsen en omgevallen bomen probeert te kronkelen.

Ontluikend onderzoek op het gebied van tweedimensionale materialen en superroosters zou dit soort materiaal werkelijkheid kunnen maken. Superroosters zijn halfgeleiders die zijn gemaakt door ultradunne materialen in lagen te leggen waarvan de atomen in een periodiek roosterpatroon zijn gerangschikt.

Voor deze studie is de onderzoekers creëerden een tweedimensionaal superrooster door een vel atomair dun grafeen tussen twee vellen elektrisch isolerend boornitride te plaatsen. De atomen in grafeen en boornitride hebben een iets andere onderlinge afstand, dus wanneer ze op elkaar worden gestapeld, creëren ze een speciaal golfinterferentiepatroon dat een moiré-patroon wordt genoemd.

Nieuwe toepassingen voor elektronen

Beschermd tegen lucht en verontreinigingen door boornitride boven en onder, elektronen in het grafeen stromen langs gladde paden zonder afbuiging, precies zoals de theorie suggereerde zou nodig zijn om terahertz-signalen te geleiden. De onderzoekers konden elektronen door de grafeenplaat sturen, verzamel ze aan de andere kant en gebruik ze om zo de activiteit van de elektronen onderweg af te leiden.

Gebruikelijk, wanneer een spanning over een kristal wordt aangelegd, elektronen worden continu versneld in de richting van het elektrische veld totdat ze worden afgebogen. In dit moiré-superrooster, onderzoekers toonden aan dat de elektronen kunnen worden beperkt tot smallere energiebanden, zei natuurkunde professor David Goldhaber-Gordon, co-auteur van de studie. Gecombineerd met zeer lange tijden tussen doorbuigingen, dit zou ertoe moeten leiden dat de elektronen op hun plaats oscilleren en straling uitzenden in het terahertz-frequentiebereik. Dit is een fundamenteel succes op de weg naar het creëren van gecontroleerde emissie en detectie van terahertz-frequenties.

Naast het dichter bij de realiteit brengen van de theorie van Bloch, de onderzoekers vonden een volkomen verrassende verandering in de elektronische structuur van hun superroostermateriaal.

"Bij halfgeleiders, zoals silicium, we kunnen afstemmen hoeveel elektronen er in dit materiaal zitten, "zei Goldhaber-Gordon. "Als we er extra insteken, ze gedragen zich alsof ze negatief geladen zijn. Als we er wat uithalen, de stroom die door het systeem gaat, gedraagt ​​zich alsof hij is samengesteld uit positieve ladingen, ook al weten we dat het allemaal elektronen zijn."

Maar dit superrooster brengt een nieuwe wending:nog meer elektronen toevoegen produceert deeltjes met positieve lading, en nog meer rendement op negatieve lading wegnemen.

Toekomstige toepassingen van deze omkering in het karakter van de elektronen kunnen komen in de vorm van efficiëntere pn-overgangen, die cruciale bouwstenen zijn voor de meeste elektronische halfgeleiderapparaten zoals zonnecellen, LED's en transistoren. Normaal gesproken, als men licht schijnt op een pn-overgang, het uitzenden van één elektron voor elk geabsorbeerd foton wordt als uitstekende prestatie beschouwd. Maar deze nieuwe knooppunten kunnen meerdere elektronen per foton uitzenden, de energie van het licht effectiever te oogsten.

Terahertz en Stanford, verleden en toekomst

Hoewel dit nieuwe onderzoek nog geen Bloch-oscillator heeft gecreëerd, de wetenschappers hebben de eerste stap bereikt door aan te tonen dat het momentum en de snelheid van een elektron over lange tijden en afstanden binnen dit superrooster kunnen worden behouden, zei Menyoung Lee, co-auteur van de studie die het onderzoek uitvoerde als een afgestudeerde student in de Goldhaber-Gordon Group.

"We passen de allereerste originele lessen van vaste-stoffysica toe die Felix Bloch lang geleden ontdekte, en het blijkt dat we dat kunnen gebruiken om unieke geleidingsfenomenen in nieuwe technische materialen aan te sturen, "zei Leen.

Terahertz-frequentietechnologie zou uiteindelijk een verbetering kunnen zijn ten opzichte van de huidige technologieën. Wanneer Amerikaanse luchthavens vandaag passagiers bij veiligheidscontroles scannen, ze gebruiken magnetrons, die niet-metalen materialen binnendringen om verborgen metalen voorwerpen te onthullen. Goldhaber-Gordon legde uit dat terahertz vergelijkbare transmissie-eigenschappen heeft, maar een kortere golflengte, mogelijk onthullende zelfs niet-metalen verborgen objecten met een hoge resolutie. Hij voegde eraan toe dat terahertz-scanners ook kunnen worden gebruikt om defecten te detecteren, zoals verborgen holtes in objecten op een productie-assemblagelijn.

De schone elektronische geleiding die in dit werk werd gedemonstreerd, bevorderde ook het begrip van de manieren waarop elektronen op elkaar inwerken en stromen, en Goldhaber-Gordon zei dat zijn laboratorium van plan is deze inzichten te gebruiken om te werken aan het creëren van extreem smalle elektronenbundels om door superroosters te sturen. Hij noemde dit nieuwe veld "elektronenoptica in 2D-materialen" omdat deze bundels in rechte lijnen reizen en net als lichtbundels aan brekingswetten gehoorzamen.

"Dit wordt een gebied dat veel nieuwe mogelijkheden biedt, " zei Goldhaber-Gordon, "en we staan ​​nog maar aan het begin van het verkennen van wat we kunnen doen."