11 ژانویه 2022 // توسط نیک فلاهرتی
محققان در اتریش از تونل کوانتومی برای توسعه یک منبع تراهرتز فشرده با قدرت ده برابر دستگاه های فعلی استفاده کرده اند.
تابش تراهرتز معمولاً دارای طول موج کمی کمتر از یک میلی متر است و تولید آن یک چالش است و در بسیاری از زمینه ها، از آزمایش مواد یا کنترل امنیت فرودگاه گرفته تا نجوم رادیویی، و همچنین سیستم های مخابراتی آینده 6G مورد نیاز است.
این تیم در دانشگاه فنی وین (TU Wien) یک منبع بسیار ساده و فشرده از تابش تراهرتز را با استفاده از یک نوسان ساز با دیودهای تونل زنی دوگانه (RTDs) ساخته شده از InGaAs/AlAs که روی بستر InP با استفاده از لیتوگرافی استاندارد رشد داده شده است، توسعه دادند. قدرت تابش به طور قابل توجهی از دستگاه های مشابه با توان 10μW در فرکانس اصلی 525 گیگاهرتز و 70μW در 330 گیگاهرتز بهتر عمل می کند.
پروفسور مایکل فیگینوف از موسسه الکترودینامیک، مایکروویو و مهندسی مدار در TU Wien می گوید: امروزه راه های مختلفی برای تولید امواج تراهرتز وجود دارد. برای مثال می توان از لیزرهای آبشاری کوانتومی استفاده کرد. با آن ها می توان به شدت های بالا دست یافت، اما باید تا دمای بسیار پایین خنک شوند. همچنین می توان از سیستم های فوتونیک بزرگ و پیچیده با چندین لیزر نوری استفاده کرد که تابش آنها با هم مخلوط می شود تا طول موج های طولانی تری تولید کند. این امکان تولید طول موج های مورد نظر را به روشی بسیار انعطاف پذیر فراهم می کند.
او گفت: با این حال، هدف ما توسعه یک منبع تراهرتز ساده و بسیار فشرده بود. اگر می‌خواهیم در آینده یک فناوری در دستگاه‌های روزمره گنجانده شود، منابع تراهرتز باید کوچک باشند و در دمای معمولی اتاق کار کنند.
برای انجام این کار، تیم نه از لیزرهای آبشاری نوری و نه از لیزرهای کوانتومی، بلکه از نوسانگرهای ساده استفاده کرد. Petr Ouředník، محقق در TU Wien می گوید: نوسانگرها چیزی کاملاً رایج در مهندسی برق هستند. اگر قطعات الکترونیکی خاصی مانند سیم پیچ ها و خازن ها با هم جفت شوند، انرژی بین آنها جریان می یابد و در نتیجه تشعشعات الکترومغناطیسی تولید می شود.
Ouředník گفت: “اما مشکل معمولاً تلفات است که می توانید آن را به عنوان مقاومت الکتریکی تصور کنید.” “این به طور معمول تضمین می کند که نوسانات در این مدارهای تشدید پس از مدت بسیار کوتاهی متوقف می شوند.”
با این حال، این را می توان با ضربه زدن به ویژگی های کوانتومی دستگاه ها تغییر داد.
Ouředník گفت: “ما از دیودهای تونل زنی تشدید کننده استفاده می کنیم، جایی که جریان بین دو مانع در نتیجه تونل زنی جریان می یابد.” تونل کوانتومی بین موانع به ویژه در ساختارهای ما باریک است، بنابراین تنها حالت‌های الکترونی بسیار خاص و بسیار کمی می‌توانند با اعمال یک ولتاژ می توان این حالات الکترونی و انرژی آنها را تغییر دادتادر آنجا وجود داشته باشند.»
به طور معمول، جریان با افزایش ولتاژ افزایش می یابد – مقاومت الکتریکی نشان می دهد که تا چه حد. اما در دیودهای تونل زنی رزونانس، اثر معکوس ممکن است: اگر ولتاژ افزایش یابد، ممکن است حالت های الکترونی در تونل کوانتومی دیگر با حالت های الکترونی در سایر قسمت های ساختار مطابقت نداشته باشد. این بدان معنی است که الکترون ها دیگر نمی توانند از یک ناحیه به ناحیه دیگر عبور کنند و جریان به جای افزایش، کاهش می یابد. این بدان معنی است که مقاومت الکتریکی منفی می شود. فیگینوف گفت: “مقاومت منفی در مدار نوسانی، اما به این معنی است که مدار نوسانی انرژی خود را از دست نمی دهد، بلکه انرژی می گیرد. نوسانات الکترومغناطیسی خود به خود ادامه می دهند و جریان مستقیم خارجی به تابش تراهرتز تبدیل می شود.”
این شدت تابش تراهرتز را در ساختاری کوچکتر از یک میلیمتر و تنها با لیتوگرافی نوری فعلی ساخته شده است. بنابراین به طور بالقوه مناسب است که در دستگاه های جمع و جور مانند گوشی های هوشمند ساخته شود.
فیگینوف می‌گوید: «ایده‌های کاربردی بسیار زیادی وجود دارد که امروز حتی نمی‌توانیم بگوییم کدام یک واقع‌بینانه‌تر است». “محدوده تراهرتز در نجوم رادیویی استفاده می شود، می توان از آن برای دیدن اجسام مات نوری استفاده کرد، به عنوان مثال در بررسی های امنیتی در فرودگاه یا حتی در آزمایش مواد. یکی دیگر از کاربردهای هیجان انگیز سنسورهای شیمیایی هستند: مولکول های مختلف را می توان با این واقعیت تشخیص داد. همه این فناوری‌ها از منابع ساده و فشرده تراهرتز بهره می‌برند، و این چیزی است که ما می‌خواهیم سهم مهمی در آن داشته باشیم.»
