Ultra-dunne Terahertz-bron drijft next-generation communicatietechnologieën

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

Terahertz-bronnen emitteren korte lichtpulsen die triljoen keer per seconde oscilleren. Op deze schaal zijn ze te snel om te worden afgehandeld door standaard elektronica, en, tot recent, te langzaam om te worden afgehandeld door optische technologieën. Dit heeft grote betekenis voor de evolutie van ultra-snelle communicatieapparaten boven de 300GHz grens — zoals vereist voor 6G mobiele telefoontechnologie — iets dat fundamenteel nog buiten de grens van huidige elektronica ligt. Onderzoekers in de Emergent Photonics (EPic) Lab bij Sussex zijn leiders in oppervlakte-terahertz-emissietechnologie, met de helderste en dunste halfgeleider-oppervlaktebronnen tot nu toe gedemonstreerd. Het emissieregion van hun nieuwe ontwikkeling, een halfgeleiderbron van terahertz, is 10 keer dunner dan eerder bereikt, met vergelijkbare of zelfs betere prestaties.

De dunne lagen kunnen bovenop bestaande objecten en apparaten geplaatst worden — een terahertz-bron kan geplaatst worden op plaatsen die ondenkbaar waren, inclusief alledaagse objecten zoals een theepot of zelfs een kunstwerk — wat enorme potentie opent voor anti-contrefactie en het internet of things — alsmede eerder incompatibele elektronica, zoals next-generation mobiele telefoons.

Dr. Luke Peters, Research Fellow van het European Research Council project TIMING aan de Universiteit van Sussex, zei: "Het idee van het plaatsen van terahertz-bronnen op onbereikbare plekken heeft grote wetenschappelijke aantrekkingskracht, maar in de praktijk is het zeer uitdagend. Terahertz-straling kan een superlatieve rol spelen in materiaalwetenschap, levenswetenschap, en beveiliging. Niettemin is het nog vreemd voor de meeste bestaande technologie, inclusief apparaten die met alledaagse objecten praten als onderdeel van het snel expandirende internet of things. Dit resultaat is een mijlpaal in onze route om terahertz-functies dichter bij ons alledaagse leven te brengen."

Liggend tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum, zijn terahertz-golven een vorm van straling die hoog in trek is in onderzoek en industrie. Ze hebben een natuurlijke capaciteit om de materiaalsamenstelling van een object te onthullen door gemakkelijk gangbare materialen zoals papier, kleding, en plastic te penetreren op dezelfde manier als Röntgenstralen, maar zonder schadelijk te zijn. Terahertz-imaging maakt het mogelijk om de moleculaire samenstelling van objecten te 'zien' en te onderscheiden tussen verschillende materialen. Eerdere ontwikkelingen hebben potentiële toepassingen van terahertz-camera's getoond, die transformatief kunnen zijn in luchthavenbeveiliging, en medische scanners — zoals die gebruikt om huidkanker te detecteren.

Een van de grootste uitdagingen voor wetenschappers die in terahertz-technologie werken, is dat wat algemeen geaccepteerd wordt als een 'intense terahertz-bron' zwak en bulky is vergeleken met, bijv., een gloeilamp. In veel gevallen maakt de behoefte aan zeer exotische materialen, zoals niet-lineaire kristallen, ze onhandig en duur. Deze vereiste vormt 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 elektronische-kwaliteit halfgeleider te verlichten met twee verschillende typen laserlicht, elk oscillerend op een andere frequentie — of kleur — konden ze de emissie van korte bursts van terahertz-straling uitlokken.

Deze wetenschappelijke doorbraak is lang gezocht door wetenschappers die in het veld werken sinds de eerste demonstratie van terahertz-bronnen gebaseerd op tweekleur-lasers in de vroege 2000s. Tweekleur-terahertz-bronnen gebaseerd op speciale mengsels van gassen, zoals stikstof, argon, of krypton, zijn onder de best presterende bronnen beschikbaar vandaag. De halfgeleiders, wijd gebruikt in elektronische technologieën, zijn grotendeels onbereikbaar gebleven voor dit type terahertz-generatiemechanisme.