Исследователи обнаружили в двумерных проводящих системах новый эффект, который обещает улучшить работу терагерцовых детекторов.

Группа ученых Кавендишской лаборатории совместно с коллегами из университетов Аугсбурга (Германия) и Ланкастера обнаружила новый физический эффект при воздействии на двумерные электронные системы терагерцовыми волнами.

Прежде всего, что такое терагерцовые волны? «Мы общаемся с помощью мобильных телефонов, передающих микроволновое излучение , и используем инфракрасные камеры для ночного видения. Терагерцовый тип электромагнитного излучения находится между микроволновым и инфракрасным излучением », — объясняет профессор Дэвид Ричи, руководитель группы физики полупроводников в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, «но на данный момент не хватает источников и детекторов этого вида излучения, которые были бы дешевыми, эффективными и простыми в использовании. Это препятствует широкому использованию терагерцовой технологии».

Исследователи из группы физики полупроводников вместе с исследователями из Пизы и Турина в Италии первыми продемонстрировали в 2002 году работу лазера на терагерцовых частотах, квантово-каскадного лазера. С тех пор группа продолжает исследовать терагерцовую физику и технологию и в настоящее время исследует и разрабатывает функциональные терагерцовые устройства, включающие метаматериалы для формирования модуляторов, а также новых типов детекторов.

Если бы нехватка пригодных для использования устройств была решена, терагерцовое излучение могло бы иметь множество полезных применений в области безопасности, материаловедения, связи и медицины. Например, волны терагерцового диапазона позволяют визуализировать раковую ткань, которую невозможно увидеть невооруженным глазом. Их можно использовать в новых поколениях безопасных и быстрых сканеров аэропортов, которые позволяют отличать лекарства от запрещенных наркотиков и взрывчатых веществ, и они могут использоваться для обеспечения еще более быстрой беспроводной связи, превосходящей самые современные.

Итак, о чем недавнее открытие? «Мы разрабатывали новый тип терагерцового детектора, — говорит доктор Владислав Михайлоу, младший научный сотрудник Тринити-колледжа в Кембридже, — но при измерении его характеристик оказалось, что он дает гораздо более сильный сигнал, чем теоретически можно было ожидать. мы придумали новое объяснение».

Это объяснение, как говорят ученые, кроется в том, как свет взаимодействует с материей. На высоких частотах вещество поглощает свет в виде отдельных частиц — фотонов. Эта интерпретация, впервые предложенная Эйнштейном, легла в основу квантовой механики и объяснила фотоэлектрический эффект. Это квантовое фотовозбуждение — то, как свет обнаруживается камерами в наших смартфонах; это также то, что генерирует электричество из света в солнечных батареях.

Хорошо известный фотоэлектрический эффект заключается в высвобождении электронов из проводящего материала — металла или полупроводника — под действием падающих фотонов. В трехмерном случае электроны могут быть выброшены в вакуум фотонами .в ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне или высвобождается в диэлектрик в диапазоне от среднего инфракрасного до видимого диапазона. Новизна заключается в открытии квантового процесса фотовозбуждения в терагерцовом диапазоне, аналогичного фотоэффекту. «Тот факт, что такие эффекты могут существовать в двумерных электронных газах с высокой проводимостью на гораздо более низких частотах, до сих пор не был понят, — объясняет Владислав, первый автор исследования, — но мы смогли доказать это экспериментально». Количественная теория эффекта была разработана коллегой из Аугсбургского университета в Германии, а международная группа исследователей опубликовала свои выводы в журнале Science Advances .

Соответственно, исследователи назвали это явление «плоскостным фотоэлектрическим эффектом». В соответствующей статье ученые описывают несколько преимуществ использования этого эффекта для обнаружения терагерцового диапазона. В частности, величина фотоотклика, который генерируется падающим терагерцовым излучением за счет «плоскостного фотоэлектрического эффекта », намного выше, чем ожидалось от других механизмов, которые, как было известно до сих пор, вызывали терагерцовый фотоотклик. Таким образом, ученые рассчитывают, что этот эффект позволит создавать терагерцовые детекторы с существенно более высокой чувствительностью.

«Это приближает нас на один шаг к тому, чтобы сделать терагерцовую технологию пригодной для использования в реальном мире», — заключает профессор Ритчи.