На крок ближче до того, щоб терагерцову технологію можна було використовувати в реальному світі

Фото: phys.org

Дослідники виявили в двовимірних провідних системах новий ефект, який обіцяє покращити роботу терагерцових детекторів.

Команда вчених з лабораторії Кавендіша разом з колегами з університетів Аугсбурга (Німеччина) і Ланкастера знайшли новий фізичний ефект, коли двовимірні електронні системи піддаються впливу терагерцових хвиль, пише Phys.

Перш за все, що таке терагерцові хвилі? «Ми спілкуємося за допомогою мобільних телефонів, які передають мікрохвильове випромінювання, і використовуємо інфрачервоні камери для нічного бачення. Терагерц — це тип електромагнітного випромінювання, який лежить між мікрохвильовим та інфрачервоним випромінюванням», — пояснює професор Девід Рітчі, керівник групи фізики напівпровідників у Кавендішської лабораторії Кембриджського університету, «але на даний момент не вистачає джерел і детекторів цього типу випромінювання, які були б дешевими, ефективними та простими у використанні. Це перешкоджає широкому використанню терагерцової технології».

Дослідники з групи Semiconductor Physics разом з дослідниками з Пізи та Туріна в Італії в 2002 році першими продемонстрували роботу лазера на терагерцових частотах, квантового каскадного лазера. З тих пір група продовжує досліджувати терагерцову фізику та технологію і в даний час досліджує та розробляє функціональні терагерцові пристрої, що включають метаматеріали для формування модуляторів, а також нові типи детекторів.

Якби усунути брак придатних для використання пристроїв, терагерцове випромінювання могло б мати багато корисних застосувань у безпеці, матеріалознавстві, комунікації та медицині. Наприклад, терагерцові хвилі дозволяють отримати зображення ракової тканини, яку не можна було побачити неозброєним оком. Їх можна використовувати в нових поколіннях безпечних і швидких сканерів аеропортів, які дозволяють відрізнити ліки від незаконних наркотиків і вибухових речовин, і їх можна використовувати для забезпечення ще швидшого бездротового зв’язку за межами найсучасніших технологій.

Отже, про що йдеться в недавньому відкритті? «Ми розробляли новий тип терагерцового детектора, — каже д-р Владіслав Михайлов, молодший науковий співробітник Триніті-коледжу Кембриджу, — але під час вимірювання його продуктивності виявилося, що він показував набагато сильніший сигнал, ніж очікувалося теоретично. Тож ми придумали нове пояснення».

Це пояснення, як кажуть вчені, полягає в тому, як світло взаємодіє з матерією. На високих частотах речовина поглинає світло у вигляді окремих частинок — фотонів. Ця інтерпретація, вперше запропонована Ейнштейном, лягла в основу квантової механіки і пояснила фотоефект. Це квантове фотозбудження – це те, як світло виявляє камери в наших смартфонах; це також те, що генерує електрику зі світла в сонячних елементах.

Добре відомий фотоефект полягає у вивільненні електронів з провідного матеріалу — металу або напівпровідника — падаючими фотонами. У тривимірному випадку електрони можуть бути вигнані у вакуум фотонами в ультрафіолетовому чи рентгенівському діапазоні або випущені в діелектрик у середньому інфрачервоному та видимому діапазоні. Новизна полягає у відкритті квантового процесу фотозбудження в терагерцовому діапазоні, подібного до фотоефекту. «Той факт, що такі ефекти можуть існувати у високопровідних двовимірних електронних газах на набагато нижчих частотах, досі не зрозуміли, — пояснює Владислав, перший автор дослідження, — але ми змогли довести це експериментально». Кількісну теорію ефекту розробив колега з Університету Аугсбурга, Німеччина, а міжнародна група дослідників опублікувала свої висновки в журналі Science Advances.

Відповідно дослідники назвали це явище «фотоефектом у площині». У відповідній статті вчені описують кілька переваг використання цього ефекту для терагерцового виявлення. Зокрема, величина фотовідповіді, яка створюється терагерцовим випромінюванням за допомогою «фотоелектричного ефекту в площині», набагато вища, ніж очікувалося від інших механізмів, які, як раніше було відомо, викликають терагерцовий фотовідповідь. Таким чином, вчені очікують, що цей ефект дозволить виготовити терагерцові детектори з значно більшою чутливістю.

«Це наближає нас на крок ближче до того, щоб терагерцову технологію можна було використовувати в реальному світі», — підсумовує професор Річі.