Der Hack bringt uns einen Schritt näher an reale Terahertz-Technologien

Die Terahertz-Technologie kann fortschrittliche Sicherheits-, Medizin- und Materialwissenschaftsscanner ermöglichen. Es kann auch drahtlose Kommunikationsgeräte viel schneller aktivieren, als dies derzeit möglich ist.

Wissenschaftler haben einen neuen Effekt in zweidimensionalen leitfähigen Systemen entdeckt, der eine Verbesserung der Leistung von Terahertz-Detektoren verspricht.

Eine kürzliche physikalische Entdeckung in zweidimensionalen leitfähigen Systemen ermöglicht einen neuen Typ von Terahertz-Detektoren. Terahertz-Frequenzen, die im elektromagnetischen Strahlungsspektrum zwischen Mikrowelle und Infrarot liegen, könnten schnellere, sicherere und effizientere Bildgebungstechnologien sowie drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglichen. Der Mangel an effektiven realen Geräten hat diese Fortschritte behindert, aber dieser neue Durchbruch bringt uns diesen fortschrittlichen Technologien einen Schritt näher.

Ein Team von Wissenschaftlern des Cavendish Laboratory mit Kollegen der Universitäten Augsburg (Deutschland) und Lancaster entdeckte einen neuen physikalischen Effekt, wenn 2D-Elektroniksysteme Terahertz-Wellen ausgesetzt werden.

„Die Tatsache, dass solche Effekte in hochleitfähigen zweidimensionalen elektronischen Gasen bei viel niedrigeren Frequenzen existieren können, ist noch nicht verstanden, aber wir konnten es experimentell beweisen.“ – Wladislav Michael

Was sind Terahertzwellen? “Wir kommunizieren über Mobiltelefone, die Mikrowellenstrahlung aussenden, und verwenden Infrarotkameras für die Nachtsicht. Terahertz ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, die zwischen Mikrowelle und Infrarot liegt”, erklärt Professor David Ritchie, Leiter der Gruppe für Halbleiterphysik am Cavendish der Universität Cambridge Labor, „aber derzeit gibt es einen Mangel an Quellen und Detektoren für diese Art von Strahlung, die billig, effizient und einfach zu bedienen wären. Das behindert den breiten Einsatz der Terahertz-Technologie.“

Forscher der Halbleiterphysik-Gruppe waren zusammen mit Forschern aus Pisa und Turin in Italien im Jahr 2002 die ersten, die den Betrieb eines Lasers bei Terahertz-Frequenzen, eines Quantenwasserfalllasers, demonstrierten. Seitdem hat die Gruppe die Forschung in Terahertz-Physik und -Technologie fortgesetzt und untersucht und entwickelt derzeit funktionelle Terahertz-Geräte, die Metamaterialien zur Bildung von Modifikatoren sowie neue Arten von Detektoren umfassen.

Wladislaw Michailow Terahertz-Detektor

Wladislaw Michailow zeigt das Gerät im Reinraum und den Terahertz-Detektor nach der Fertigung. Bildnachweis: Wladyslaw Michelo

Wenn das Problem der nicht verwendbaren Geräte gelöst ist, könnte die Terahertz-Strahlung viele nützliche Anwendungen in den Bereichen Sicherheit, Materialwissenschaft, Kommunikation und Medizin haben. Beispielsweise ermöglichen Terahertzwellen die Abbildung von Krebsgewebe, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Sie können in neuen Generationen von sicheren und schnellen Flughafenscannern eingesetzt werden, die es ermöglichen, zwischen Drogen, illegalen Drogen und Sprengstoffen zu unterscheiden, und können verwendet werden, um eine schnellere drahtlose Kommunikation über die neueste Technologie hinaus zu ermöglichen.

Also, was ist die neueste Entdeckung? Dr. Wladislaw Michailow, Junior Research Fellow am Trinity College Cambridge, sagt: „Wir waren dabei, einen neuartigen Terahertz-Detektor zu entwickeln, aber bei der Messung seiner Leistung stellte sich heraus, dass er ein viel stärkeres Signal zeigte, als theoretisch zu erwarten war mit einer neuen Erklärung.“

Diese Erklärung, sagen Wissenschaftler, liegt in der Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert. Bei hohen Frequenzen absorbiert das Material Licht in Form von einzelnen Teilchen – Photonen. Diese erstmals von Einstein vorgeschlagene Interpretation bildete die Grundlage der Quantenmechanik und konnte den photoelektrischen Effekt erklären. Durch diese quantenoptische Anregung erkennen Kameras das Licht in unseren Smartphones; Es ist auch das, was aus dem Licht in den Solarzellen Strom erzeugt.

Der bekannte photoelektrische Effekt besteht in der Freisetzung von Elektronen aus einem leitfähigen Material – einem Metall oder einem Halbleiter – durch einfallende Photonen. Im 3D-Zustand können die Elektronen durch Photonen im Ultraviolett- oder Röntgenbereich ins Vakuum emittiert oder im mittleren Infrarot bis in den sichtbaren Bereich in ein Dielektrikum abgegeben werden. Die Neuheit liegt in der Entdeckung eines Quanten-Photoanregungsprozesses im Terahertz-Bereich, ähnlich dem photoelektrischen Effekt. „Dass solche Effekte innerhalb hochleitfähiger zweidimensionaler elektronischer Gase bei viel niedrigeren Frequenzen existieren können, ist noch nicht verstanden, aber wir konnten es experimentell nachweisen“, erklärt Vladislav, der Erstautor der Studie. Die Quanteneffekt-Theorie wurde von einem Kollegen der Universität Augsburg entwickelt, und das internationale Forscherteam hat seine Ergebnisse kürzlich in der angesehenen Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftlicher Fortschritt.

Die Forscher nannten dieses Phänomen den “in-plane photoelectric effect”. In der dazugehörigen Arbeit beschreiben die Wissenschaftler die vielen Vorteile, die sich aus der Nutzung dieses Effekts für die Entdeckung von Terahertz ergeben. Insbesondere die Größe der durch die einfallende Terahertz-Strahlung durch den „In-Plane-Photoeffekt“ hervorgerufenen Photoantwort ist viel höher als von anderen Mechanismen erwartet, von denen bisher bekannt ist, dass sie zur Terahertz-Photoantwort führen. Wissenschaftler erwarten daher, dass dieser Effekt die Herstellung von Terahertz-Detektoren mit viel höherer Empfindlichkeit ermöglichen wird.

„Damit kommen wir dem Ziel, die Terahertz-Technologie in der realen Welt nutzbar zu machen, einen Schritt näher“, schließt Professor Ritchie.

Referenz: „In-Plane Photoelectric Effect in Two-Dimensional Terahertz Detection Electronic Systems“ von Vladislao Michelo, Peter Spencer, Nikita W. Almond, Stephen J. Kendness, Robert Wallis, Thomas A. Mitchell, Ricardo Degli Innocenti, Sergey Mikhailov, Harvey E. Pierre und David A. Ritchie, 15. April 2022, Wissenschaftlicher Fortschritt.
DOI: 10.1126 / sciadv.abi8398

Die Arbeit wurde von EPSRC HyperTerahertz Projects (EP No. P021859/1) und Grant No. EP/S019383/1, der University of Cambridge Schiff Foundation, dem Trinity College Cambridge sowie dem Graphene Core 3 Research and Innovation Program der EU (Fördernummer 881603).

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