Onderzoekers hebben een uniek apparaat gemaakt dat de ongrijpbare terahertz-golflengten zal ontgrendelen en revolutionaire nieuwe technologieën mogelijk zal maken.

Terahertz-golven (THz) zitten tussen microgolven en infrarood in het lichtfrequentiespectrum, maar vanwege hun lage energie, wetenschappers hebben hun potentieel niet kunnen benutten. Het raadsel staat in wetenschappelijke kringen bekend als de 'terahertz-kloof'.

Het kunnen detecteren en versterken van THz-golven (T-stralen) zou een nieuw tijdperk van medische, communicatie, satelliet, kosmologische en andere technologieën. Een belangrijke toepassing zou zijn als een veilige, niet-destructief alternatief voor röntgenstralen. Echter, tot nu, de golflengten, die variëren tussen 3 mm en 30 m, zijn onbruikbaar gebleken vanwege de relatief zwakke signalen van alle bestaande bronnen.

Een team van natuurkundigen heeft een nieuw type optische transistor gemaakt - een werkende THz-versterker - met behulp van grafeen en een supergeleider voor hoge temperaturen. De fysica achter de eenvoudige versterker is gebaseerd op de eigenschappen van grafeen, die transparant is en niet gevoelig is voor licht en waarvan de elektronen geen massa hebben. Het bestaat uit twee lagen grafeen en een supergeleider die de massaloze elektronen van grafeen ertussen als een sandwich opsluiten.

Het apparaat wordt dan aangesloten op een stroombron. Wanneer de THz-straling de buitenste laag van grafeen raakt, de gevangen deeltjes binnenin hechten zich aan de uitgaande golven, ze versterken. Professor Fedor Kusmartsev, van de afdeling Natuurkunde van Loughborough, zei, "Als het THz-licht op de sandwich valt, wordt het gereflecteerd, als een spiegel."

"Het belangrijkste punt is dat er meer licht wordt gereflecteerd dan er op het apparaat viel. "Het werkt omdat externe energie wordt geleverd door een batterij of door licht dat het oppervlak raakt van andere, hogere frequenties in het elektromagnetische spectrum. De THz-fotonen worden door het grafeen omgezet in massaloze elektronen, die, beurtelings, worden terug getransformeerd in gereflecteerd, energiek, THz fotonen. Door een dergelijke transformatie de THz-fotonen nemen energie van het grafeen - of van de batterij - en de zwakke THz-signalen worden versterkt."

De doorbraak is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Het team blijft het apparaat ontwikkelen en hoopt binnenkort prototypes klaar te hebben om te testen. Prof Kusmartsev zei dat ze hopen over ongeveer een jaar een werkende versterker klaar te hebben voor commercialisering. Hij voegde eraan toe dat een dergelijk apparaat de huidige technologie enorm zou verbeteren en wetenschappers in staat zou stellen meer over het menselijk brein te onthullen.

"Het universum zit vol met terahertz-straling en signalen, in feite, alle biologische organismen nemen het op en stoten het uit. Ik verwacht dat met zo'n versterker beschikbaar, we zullen veel mysteries van de natuur kunnen ontdekken, bijvoorbeeld, hoe chemische reacties en biologische processen verlopen, of hoe ons brein werkt en hoe we denken. Het terahertz-bereik is de laatste stralingsfrequentie die door de mensheid is overgenomen. Magnetrons, infrarood, zichtbaar, Röntgenstralen en andere bandbreedtes zijn van vitaal belang voor talloze wetenschappelijke en technologische vooruitgang.

"Het heeft eigenschappen die grote gebieden van de wetenschap, zoals beeldvorming, spectroscopie, tomografie, medische diagnose, Gezondheidsbewaking, milieucontrole en chemische en biologische identificatie.

"Het apparaat dat we hebben ontwikkeld, stelt wetenschappers en ingenieurs in staat om de ongrijpbare bandbreedte te benutten en de volgende generatie medische apparatuur te creëren, detectiehardware en draadloze communicatietechnologie."