Как и свет, терагерцовые волны относятся к категории электромагнитного излучения. По спектру они попадают прямо между микроволнами и инфракрасным излучением. Но в то время как микроволны и инфракрасное излучение давно вошли в нашу повседневную жизнь, терагерцовые волны только начинают использоваться.
Причина в том, что специалисты смогли сконструировать разумно приемлемые источники терагерцовых волн только с начала 2000-х годов. Но эти передатчики все же не идеальны – они относительно большие и дорогие, а излучаемое ими излучение не всегда имеет желаемые свойства.
Один из установленных методов генерации основан на кристалле арсенида галлия.
Если этот полупроводниковый кристалл облучать короткими лазерными импульсами, образуются носители заряда арсенида галлия. Эти заряды ускоряются за счет приложения напряжения, которое вызывает генерацию терагерцовой волны – в основном тот же механизм, что и в мачте передатчика УКВ, где движущиеся заряды производят радиоволны.
Однако у этого метода есть ряд недостатков: «Он может работать только с относительно дорогими специальными лазерами», – объясняет физик HZDR д-р. Харальд Шнайдер. «Со стандартными лазерами того типа, который мы используем для оптоволоконной связи, это не работает.«Другой недостаток заключается в том, что кристаллы арсенида галлия излучают только относительно узкополосные терагерцовые импульсы и, следовательно, ограниченный частотный диапазон, что значительно ограничивает область применения.
Имплантаты из драгоценных металлов
Вот почему Шнайдер и его команда делают ставку на другой материал – полупроводниковый германий. «С германием мы можем использовать менее дорогие лазеры, известные как волоконные лазеры», – говорит Шнайдер. «Кроме того, кристаллы германия очень прозрачны и, таким образом, способствуют излучению очень широкополосных импульсов.«Но до сих пор у них была проблема: если вы облучите чистый германий коротким лазерным импульсом, пройдет несколько микросекунд, прежде чем электрический заряд в полупроводнике исчезнет. Только тогда кристалл сможет поглотить следующий лазерный импульс.
Однако современные лазеры могут генерировать свои импульсы с интервалом в несколько десятков наносекунд – последовательность выстрелов слишком быстрая для германия.
Чтобы преодолеть эту трудность, специалисты искали способ более быстрого исчезновения электрических зарядов в германии. И они нашли ответ в выдающемся драгоценном металле – золоте. «Мы использовали ионный ускоритель, чтобы выстрелить атомами золота в кристалл германия», – объясняет коллега Шнайдера доктор. Абхишек Сингх. «Золото проникло в кристалл на глубину 100 нанометров."Затем ученые нагревали кристалл в течение нескольких часов до 900 градусов Цельсия.
Термообработка обеспечила равномерное распределение атомов золота в кристалле германия.
Успех начался, когда команда осветила приправленный германий ультракороткими лазерными импульсами: вместо того, чтобы оставаться в кристалле в течение нескольких микросекунд, носители электрического заряда снова исчезли менее чем за две наносекунды – примерно в тысячу раз быстрее, чем раньше.
Образно говоря, золото работает как ловушка, помогая улавливать и нейтрализовать заряды. «Теперь кристалл германия можно бомбардировать лазерными импульсами с высокой частотой повторения, и он все еще функционирует», – с удовольствием сообщает Сингх.
Возможно недорогое изготовление
Новый метод обеспечивает получение терагерцовых импульсов с чрезвычайно широкой полосой пропускания: вместо 7 терагерц, применяемых при использовании известного метода арсенида галлия, теперь он в десять раз больше – 70 терагерц. «Мы одним махом получаем широкий, непрерывный, непрерывный спектр», – с энтузиазмом говорит Харальд Шнайдер. "Это означает, что у нас под рукой действительно универсальный источник, который можно использовать для самых разных приложений.«Еще одно преимущество заключается в том, что компоненты из германия можно эффективно обрабатывать по той же технологии, которая используется для микрочипов. «В отличие от арсенида галлия, германий совместим с кремнием», – отмечает Шнайдер. «А поскольку новые компоненты могут работать вместе со стандартными волоконно-оптическими лазерами, вы можете сделать эту технологию довольно компактной и недорогой."
Это должно превратить германий, легированный золотом, в интересный вариант не только для научных приложений, таких как подробный анализ инновационных двумерных материалов, таких как графен, но и для приложений в медицине и экологических технологиях.
Например, можно представить датчики, отслеживающие определенные газы в атмосфере по их терагерцовому спектру. Сегодняшние источники терагерцового диапазона по-прежнему слишком дороги для этой цели.
Новые методы, разработанные в Дрездене-Россендорфе, могут помочь сделать такие датчики окружающей среды намного дешевле в будущем.