By Terahertz vågor (ThZ) sitter mellan mikrovågor och infraröd i ljusfrekvensspektret, men på grund av sin låga energi har forskare inte kunnat utnyttja sin potential. Gåtan är känd i vetenskapliga kretsar som ”terahertz gap.”
Att kunna upptäcka och förstärka ThZ-vågor (T-strålar) skulle öppna upp en ny era av medicinsk, kommunikation, satellit, kosmologisk och annan teknik. En viktig tillämpning skulle vara som ett säkert, icke-destruktivt alternativ till röntgenstrålar. Hittills har våglängderna, som sträcker sig mellan 3mm och 30μm, visat sig omöjliga att använda på grund av relativt svaga signaler från alla befintliga källor.
Ett team av fysiker har skapat en ny typ av optisk transistor—en fungerande ThZ-förstärkare — med grafen och en högtemperatursupraledare. Fysiken bakom den enkla förstärkaren bygger på grafens egenskaper, som är transparent och inte är känslig för ljus och vars elektroner inte har någon massa. Den består av två lager grafen och en supraledare som fångar grafen masslösa elektronerna mellan dem som en smörgås.
Enheten ansluts sedan till en strömkälla. När ThZ-strålningen träffar grafen yttre skikt, fäster de fångade partiklarna inuti sig vid de utgående vågorna och förstärker dem. Professor Fedor Kusmartsev, vid Loughboroughs fysik, sade: ”När ThZ-ljuset faller på smörgåsen reflekteras det som en spegel.”
”Huvudpunkten är att det kommer att bli mer ljus reflekterat än föll på enheten. ”Det fungerar eftersom extern energi levereras av ett batteri eller av ljus som träffar ytan från andra, högre frekvenser i det elektromagnetiska spektrumet. ThZ-fotonerna omvandlas av grafen till masslösa elektroner, som i sin tur omvandlas tillbaka till reflekterade, energiserade, ThZ-fotoner. På grund av en sådan omvandling tar ThZ-fotonerna energi från grafen — eller från batteriet — och de svaga ThZ-signalerna förstärks.”
Genombrottet har publicerats i Physical Review Letters. Teamet fortsätter att utveckla enheten och hoppas kunna ha prototyper redo för testning inom kort. Prof Kusmartsev sade att de hoppas att ha en fungerande förstärkare redo för kommersialisering om ungefär ett år. Han tillade att en sådan anordning skulle avsevärt förbättra den nuvarande tekniken och tillåta forskare att avslöja mer om den mänskliga hjärnan.
”Universum är fullt av terahertz strålning och signaler, i själva verket, alla biologiska organismer både absorberar och avger det. Jag förväntar mig att med en sådan förstärkare tillgänglig kommer vi att kunna upptäcka många naturens mysterier, till exempel hur kemiska reaktioner och biologiska processer pågår, eller hur vår hjärna fungerar och hur vi tänker. Terahertz-intervallet är den sista strålningsfrekvensen som antas av mänskligheten. Mikrovågor, infraröda, synliga, röntgenstrålar och andra bandbredder är avgörande för otaliga vetenskapliga och tekniska framsteg.
— Den har egenskaper som avsevärt skulle förbättra stora vetenskapsområden såsom avbildning, spektroskopi, tomografi, medicinsk diagnos, hälsoövervakning, miljökontroll och kemisk och biologisk identifiering.
”Den enhet vi har utvecklat kommer att göra det möjligt för forskare och ingenjörer att utnyttja den illusiva bandbredden och skapa nästa generation av medicinsk utrustning, detekteringsmaskinvara och trådlös kommunikationsteknik.”
