23 مه 2022 -توسط دانشگاه کمبریج -Wladislaw Michailow دستگاه را در اتاق تمیز نشان می دهد و یک آشکارساز تراهرتز پس از ساخت. اعتبار: ولادیسلاو میچایلو
محققان در سیستم‌های رسانای دو بعدی اثر جدیدی کشف کرده‌اند که نویدبخش عملکرد بهتر آشکارسازهای تراهرتز است.
تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه کاوندیش، همراه با همکارانش در دانشگاه‌های آگسبورگ (آلمان) و لنکستر، زمانی که سیستم‌های الکترونی دو بعدی در معرض امواج تراهرتز قرار می‌گیرند، اثر فیزیکی جدیدی پیدا کردند.
اول از همه، امواج تراهرتز چیست؟ پروفسور دیوید ریچی، رئیس گروه فیزیک نیمه هادی در دانشگاه می گوید: “ما با استفاده از تلفن های همراهی که تشعشعات مایکروویو را منتقل می کنند و از دوربین های مادون قرمز برای دید در شب استفاده می کنیم، ارتباط برقرار می کنیم. تراهرتز نوعی تابش الکترومغناطیسی است که بین تابش مایکروویو و مادون قرمز قرار دارد.اما در حال حاضر، کمبود منابع و آشکارسازهای این نوع تابش وجود دارد که ارزان، کارآمد و آسان برای استفاده باشد. این امر مانع استفاده گسترده از فناوری تراهرتز می شود.”
محققان گروه فیزیک نیمه هادی، همراه با محققانی از پیزا و تورینو در ایتالیا، اولین کسانی بودند که در سال 2002 عملکرد یک لیزر را در فرکانس های تراهرتز، یک لیزر آبشاری کوانتومی، نشان دادند. از آن زمان، این گروه به تحقیق در مورد فیزیک و فناوری تراهرتز ادامه داده است و در حال حاضر در حال بررسی و توسعه دستگاه‌های کاربردی تراهرتزی است که متامواد را برای تشکیل تعدیل‌کننده‌ها و همچنین انواع جدیدی از آشکارسازها ترکیب می‌کند.
اگر کمبود دستگاه‌های قابل استفاده برطرف می‌شد، تشعشعات تراهرتز می‌توانست کاربردهای مفید زیادی در امنیت، علم مواد، ارتباطات و پزشکی داشته باشد. به عنوان مثال، امواج تراهرتز امکان تصویربرداری از بافت سرطانی را که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند، می دهد. آنها را می توان در نسل های جدید اسکنرهای ایمن و سریع فرودگاه استفاده کرد که تشخیص داروها از مواد مخدر و مواد منفجره غیرقانونی را ممکن می کند و می توان از آنها برای فعال کردن ارتباطات بی سیم حتی سریعتر فراتر از پیشرفته ترین فناوری استفاده کرد.
بنابراین، کشف اخیر در مورد چیست؟ دکتر ولادیسلاو میچایلو، پژوهشگر جوان در کالج ترینیتی کمبریج، می‌گوید: «ما در حال توسعه نوع جدیدی از آشکارساز تراهرتز بودیم، اما هنگام اندازه‌گیری عملکرد آن، مشخص شد که سیگنال بسیار قوی‌تری از آنچه از نظر تئوری انتظار می‌رفت نشان می‌دهد. ما با یک توضیح جدید آمدیم.”
این توضیح، همانطور که دانشمندان می گویند، در نحوه تعامل نور با ماده نهفته است. در فرکانس‌های بالا، ماده نور را به شکل ذرات منفرد – فوتون – جذب می‌کند. این تفسیر که اولین بار توسط اینشتین ارائه شد، پایه مکانیک کوانتومی را تشکیل داد و اثر فوتوالکتریک را توضیح داد. این عکس تحریک کوانتومی نحوه تشخیص نور توسط دوربین های گوشی های هوشمند ما است. همچنین همان چیزی است که از نور در سلول های خورشیدی الکتریسیته تولید می کند.
اثر فوتوالکتریک معروف شامل آزاد شدن الکترون‌ها از یک ماده رسانا – یک فلز یا یک نیمه رسانا – توسط فوتون‌های فرودی است. در حالت سه بعدی، الکترون‌ها را می‌توان توسط فوتون‌هایی در محدوده اشعه ماوراء بنفش یا اشعه ایکس به خلاء اخراج کرد یا در محدوده مادون قرمز میانی تا مرئی به یک دی الکتریک رها کرد. نکته جدید در کشف یک فرآیند تحریک نوری کوانتومی در محدوده تراهرتز، شبیه به اثر فوتوالکتریک است. ولادیسلاو، نویسنده اول این مطالعه توضیح می‌دهد: «این واقعیت که چنین اثراتی می‌توانند در گازهای الکترونی دوبعدی و بسیار رسانا با فرکانس‌های بسیار پایین‌تر وجود داشته باشند، تاکنون درک نشده است، اما ما توانسته‌ایم این را به صورت تجربی ثابت کنیم.» تئوری کمی این اثر توسط یکی از همکارانش از دانشگاه آگسبورگ آلمان ایجاد شد و تیم بین المللی از محققان یافته های خود را در مجله Science Advances منتشر کردند.
محققان بر این اساس این پدیده را «اثر فوتوالکتریک درون صفحه» نامیدند. در مقاله مربوطه، دانشمندان چندین مزیت بهره برداری از این اثر برای تشخیص تراهرتز را شرح می دهند. به طور خاص، بزرگی پاسخ نوری که توسط تشعشعات تراهرتز فرودی توسط «اثر فوتوالکتریک درون صفحه» ایجاد می‌شود، بسیار بیشتر از آن چیزی است که از مکانیسم‌های دیگری انتظار می‌رفت که تاکنون برای ایجاد واکنش نوری تراهرتز شناخته شده‌اند. بنابراین، دانشمندان انتظار دارند که این اثر امکان ساخت آشکارسازهای تراهرتز را با حساسیت بسیار بالاتر فراهم کند.
پروفسور ریچی نتیجه می گیرد: «این ما را یک قدم به ساختن فناوری تراهرتز قابل استفاده در دنیای واقعی نزدیکتر می کند.
