Een team van onderzoekers onder leiding van Hideo Hosono van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) heeft aangetoond dat terahertz-stralen kunnen worden omgezet in licht dat zichtbaar is voor het menselijk oog. De bevinding is een doorbraak voor het onderzoek naar functionele materialen en zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een nieuw soort terahertz-detector.

Wetenschappers hebben met succes terahertz-straling gevisualiseerd, in de volksmond bekend als T-stralen, met behulp van een kristal genaamd mayenite (Ca ₁₂ Al ₁₄ O ₃₃ ). Hun methode maakt slim gebruik van de ratelende beweging die wordt veroorzaakt door de vibratie van zuurstofionen in de kooiachtige structuren van het kristal.

In recente jaren, er is een groeiende belangstelling voor het ontwikkelen van praktische apparaten op basis van terahertz-technologie. Met golflengten die langer zijn dan infrarood licht, T-stralen worden als veiliger beschouwd dan conventionele beeldvormingssystemen. Ze zijn al gebruikt bijvoorbeeld, bij de veiligheidscontroles op de luchthaven, en beginnen steeds meer te worden gebruikt op gebieden zoals medische screening, voedselinspectie en analyse van kunstwerken. De visualisatie van terahertz-licht zelf, echter, is tot nu toe een uitdaging gebleken.

Nutsvoorzieningen, Hideo Hosono van Materials Research Center for Element Strategy, Tokyo Tech en medewerkers in Japan, Oekraïne en de VS hebben een eenvoudige aanpak bedacht om T-stralen om te zetten in heldere, zichtbaar licht. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano .

Eerst, de studie omvatte het uitstralen van T-stralen op het mayenietkristal met behulp van een gyrotron. Dit leidde tot de trilling van zuurstofanionen, die botsen met de binnenwanden van de kooien in het kristal. Elke kooi heeft een binnendiameter van 0,4 nanometer en een buitendiameter van 0,7 nanometer.

"Het geratel van zuurstofionen in de kooien bevordert opwaartse energieconversie, Hosono legt uit. "Sterke en frequente botsingen van de zuurstofionen induceren elektronenoverdracht naar naburige lege kooien. De excitatie van de zuurstofionen is de sleutel tot de emissie van zichtbaar licht."

Spectroscopiemetingen bevestigden dat het zichtbare licht afkomstig is van trillingen veroorzaakt door de vrij bewegende zuurstofanionen. De onderzoekers zorgden ervoor dat andere bronnen, zoals straling van zwarte lichamen en oppervlaktepolarisatie, als redenen voor de productie van zichtbaar licht werden uitgesloten.

De studie is een voorbeeld van strategisch onderzoek naar functionele materialen in het kader van het Element Strategy-initiatief, ondersteund door het Japanse Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (MEXT) en het Japan Science and Technology Agency (JST).

"Het kristal in onze studie is gewoon samengesteld uit calcium, aluminium en zuurstof, die allemaal in de top vijf van de meest voorkomende elementen staan, "zegt Hosono. "Dus, het is een van de meest goedkope materialen, rond de 15 cent per kilogram."

Ondanks zijn eenvoud, Hosono zegt dat het kristal veel opwindende eigenschappen heeft vanwege zijn nanostructuur. Op basis van 20 jaar onderzoek, zijn groep is er al in geslaagd aan te tonen dat het materiaal uitstekende katalytische eigenschappen heeft voor ammoniaksynthese en supergeleiding.

Het meest bekend om zijn baanbrekende werk aan op ijzer gebaseerde supergeleiders, Hosono zegt dat de huidige studie een nieuwe onderzoeksrichting markeert. "Onze groep heeft zich geconcentreerd op het cultiveren van nieuwe functionaliteiten met behulp van overvloedige elementen, maar het is de eerste keer dat ik me concentreer op ionische beweging - dit is volledig nieuw, " hij zegt.

De bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van een T-ray detector, aangezien een dergelijke conventionele detector nog niet is ontworpen.

Hosono voegt toe:"Op dit moment, ons materiaal is goed in het detecteren van sterke terahertz-straling. De uitdaging zal zijn hoe je de gevoeligheid kunt aanpassen."

Zijn groep heeft ook gemeld dat de zuurstofanionen kunnen worden vervangen door goud- of waterstofanionen in de kooien. Door gebruik te maken van deze verschillende anionen, misschien is het in de toekomst mogelijk om detectoren te ontwikkelen die verschillend gekleurd licht uitstralen.