Ultradunne Terahertz-bron effent de weg naar de volgende generatie communicatietechnologie

Natuurkundigen van de Universiteit van Sussex hebben een extreem dunne, grote oppervlakte-halfgeleiderbron van terahertz ontwikkeld, samengesteld uit slechts een paar atomaire lagen en compatibel met bestaande elektronische platforms.

Terahertz-bronnen zenden korte lichtpulsen uit die met een biljoen keer per seconde oscilleren. Op deze schaal zijn ze te snel om te worden verwerkt door standaard elektronica, en tot voor kort te langzaam om te worden afgehandeld door optische technologieën. Dit is van groot belang voor de evolutie van ultrasnelle communicatieapparatuur boven de 300GHz-limiet - zoals die vereist is voor 6G-mobiele telefoontechnologie - iets dat nog steeds fundamenteel boven de limiet van de huidige elektronica ligt. Onderzoekers in het Emergent Photonics (EPic) Lab in Sussex zijn leiders op het gebied van oppervlakte-terahertz-emissietechnologie en hebben de helderste en dunste oppervlaktehalfgeleiderbronnen tot nu toe bereikt. Het emissiegebied van hun nieuwe ontwikkeling, een halfgeleiderbron van terahertz, is 10 keer dunner dan voorheen, met vergelijkbare of zelfs betere prestaties.

De dunne lagen kunnen bovenop bestaande objecten en apparaten worden geplaatst - een terahertz-bron kan worden geplaatst op plaatsen die anders ondenkbaar zouden zijn geweest, inclusief alledaagse objecten zoals een theepot of zelfs een kunstwerk - en dat biedt een enorm potentieel voor anti- namaak en het internet der dingen — evenals voorheen incompatibele elektronica, zoals mobiele telefoons van de volgende generatie.

Dr. Luke Peters, Research Fellow van het European Research Council-project TIMING aan de Universiteit van Sussex, zei:"Het idee om terahertz-bronnen op ontoegankelijke plaatsen te plaatsen, heeft een grote wetenschappelijke aantrekkingskracht, maar is in de praktijk zeer uitdagend. Terahertz-straling kan een overtreffende trap hebben in materiaalwetenschap, life science en veiligheid. Desalniettemin is het nog steeds vreemd aan de meeste bestaande technologie, inclusief apparaten die met alledaagse voorwerpen praten als onderdeel van het snelgroeiende internet der dingen. Dit resultaat is een mijlpaal in onze route om terahertz-functies dichter bij ons dagelijks leven te brengen.”

Liggend tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum, zijn terahertz-golven een vorm van straling die zeer gewild is in onderzoek en industrie. Ze hebben een natuurlijk vermogen om de materiële samenstelling van een object te onthullen door gemakkelijk binnen te dringen in gewone materialen zoals papier, kleding en plastic op dezelfde manier als röntgenstralen, maar zonder schadelijk te zijn. Terahertz-beeldvorming maakt het mogelijk om de moleculaire samenstelling van objecten te ‘zien’ en onderscheid te maken tussen verschillende materialen. Eerdere ontwikkelingen hebben potentiële toepassingen laten zien van terahertz-camera's, die een transformatie zouden kunnen betekenen voor de beveiliging van luchthavens, en medische scanners, zoals scanners die worden gebruikt om huidkanker op te sporen.

Een van de grootste uitdagingen waarmee wetenschappers die met terahertz-technologie werken te maken krijgen, is dat wat algemeen wordt beschouwd als een 'intense terahertz-bron', zwak en omvangrijk is in vergelijking met bijvoorbeeld een gloeilamp. In veel gevallen maakt de behoefte aan zeer exotische materialen, zoals niet-lineaire kristallen, ze onpraktisch en duur. Deze vereiste stelt logistieke uitdagingen voor integratie met andere technologieën, zoals sensoren en ultrasnelle communicatie.

Het Sussex-team heeft deze beperkingen overwonnen door terahertz-bronnen te ontwikkelen uit extreem dunne materialen (ongeveer 25 atomaire lagen). Door een halfgeleider van elektronische kwaliteit te verlichten met twee verschillende soorten laserlicht, elk met een verschillende frequentie - of kleur - konden ze de emissie van korte uitbarstingen van terahertz-straling opwekken.

Deze wetenschappelijke doorbraak is al lang gezocht door wetenschappers die in het veld werken sinds de eerste demonstratie van terahertz-bronnen op basis van tweekleurenlasers in de vroege jaren 2000. Tweekleurige terahertz-bronnen op basis van speciale mengsels van gassen, zoals stikstof, argon of krypton, behoren tot de best presterende bronnen die momenteel beschikbaar zijn. De halfgeleiders, die veel worden gebruikt in elektronische technologieën, zijn grotendeels buiten bereik gebleven voor dit type terahertz-generatiemechanisme.