Terahertz (THz) golven vallen tussen microgolf- en infraroodstraling in het elektromagnetische spectrum, oscillerend met frequenties tussen 100 miljard en 30 biljoen cycli per seconde. Deze golven worden gewaardeerd om hun onderscheidende eigenschappen:ze kunnen door papier dringen, kleding, hout en muren, en ook om luchtvervuiling op te sporen. THz-bronnen kunnen een revolutie teweegbrengen in beveiligings- en medische beeldvormingssystemen. Bovendien, hun vermogen om enorme hoeveelheden gegevens te vervoeren, zou de sleutel kunnen zijn tot snellere draadloze communicatie.

THz-golven zijn een soort niet-ioniserende straling, wat betekent dat ze geen risico vormen voor de menselijke gezondheid. De technologie wordt al op sommige luchthavens gebruikt om passagiers te scannen en gevaarlijke voorwerpen en stoffen op te sporen.

Ondanks grote belofte, THz-golven worden niet veel gebruikt omdat ze duur en omslachtig zijn om te genereren. Maar nieuwe technologie ontwikkeld door onderzoekers van EPFL zou dat allemaal kunnen veranderen. Het team van het Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), onder leiding van prof. Elison Matioli, een nano-apparaat gebouwd dat in slechts enkele picoseconden extreem krachtige signalen kan genereren, of een biljoenste van een seconde, die krachtige THz-golven produceert.

De technologie, die op een chip of een flexibel medium kan worden gemonteerd, zou ooit in smartphones en andere draagbare apparaten kunnen worden geïnstalleerd. Het werk van de eerste auteur van Mohammad Samizadeh Nikoo, een doctoraat student aan het POWERlab, is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Hoe het werkt

De compacte, goedkoop, volledig elektrisch nanoapparaat genereert in een mum van tijd golven van hoge intensiteit uit een kleine bron. Het werkt door een krachtige "vonk, " met een spanning van 10 V (of lager) tot 100 V in het bereik van een picoseconde. Het apparaat is in staat om deze vonk bijna continu te genereren, wat betekent dat het elke seconde tot 50 miljoen signalen kan uitzenden. Wanneer aangesloten op antennes, het systeem kan krachtige THz-golven produceren en uitstralen.

Het apparaat bestaat uit twee metalen platen die zeer dicht bij elkaar zijn geplaatst, tot 20 nanometer uit elkaar. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, elektronen stromen naar een van de platen, waar ze een nanoplasma vormen. Zodra de spanning een bepaalde drempel bereikt, de elektronen worden vrijwel onmiddellijk uitgezonden naar de tweede plaat. Deze snelle beweging, mogelijk gemaakt door zulke snelle schakelaars, creëert een puls met hoge intensiteit die hoogfrequente golven produceert.

Conventionele elektronische apparaten kunnen alleen schakelen met snelheden tot één volt per picoseconde - te langzaam om krachtige THz-golven te produceren.

Het nieuwe nano-apparaat, die meer dan tien keer sneller kan zijn, kan zowel hoogenergetische als hoogfrequente pulsen genereren. "Normaal gesproken, het is onmogelijk om hoge waarden voor beide variabelen te bereiken, ", zegt Matioli. "Hoogfrequente halfgeleiderapparaten zijn op nanoschaal groot. Ze kunnen maar een paar volt aan voordat ze uitbreken. Krachtige apparaten, In de tussentijd, zijn te groot en traag om terahertz-golven te genereren. Onze oplossing was om het oude plasmaveld opnieuw te bekijken met ultramoderne fabricagetechnieken op nanoschaal om een ​​nieuw apparaat voor te stellen om die beperkingen te omzeilen."

Volgens Matioli, het nieuwe apparaat drijft alle variabelen tot het uiterste:"High-frequency, high-power en nanoschaal zijn geen termen die je normaal gesproken in dezelfde zin zou horen."

"Deze nano-apparaten, aan de ene kant, brengen een extreem hoog niveau van eenvoud en lage kosten, en aan de andere kant, een uitstekende prestatie laten zien. In aanvulling, ze kunnen worden geïntegreerd met andere elektronische apparaten zoals transistors. Gezien deze unieke eigenschappen, nanoplasma kan vorm geven aan een andere toekomst op het gebied van ultrasnelle elektronica, ' zegt Samizadeh.

De technologie zou brede toepassingen kunnen hebben die verder gaan dan het genereren van THz-golven. "We zijn er vrij zeker van dat er meer innovatieve toepassingen zullen komen, ", voegt Matioli toe.