Австрийский инженер создал источник терагерцового излучения размером с чип

В Венском техническом университете создали чрезвычайно простой и компактный источник терагерцового излучения: генератор с двойными резонансно-туннельными диодами. Его мощность излучения значительно превосходит аналогичные приборы. Новая технология уже опубликована в научном журнале Applied Physics Letters.

Для нового устройства команда ученых использовала не оптические и не квантовые каскадные лазеры, а простые генераторы. «Осцилляторы довольно распространены в электротехнике, — рассказывает Петр Оуржедник. Если определенные электронные компоненты, такие как катушки и конденсаторы, связаны между собой, то энергия течет между ними туда и обратно, тем самым генерируя электромагнитное излучение. «Но обычно проблема заключается в потерях», — говорит Петр Оуржедник. — «Обычно это гарантирует, что колебания в этих резонансных цепях остановятся через очень короткое время».

Однако это можно изменить с помощью приемов квантовой физики: «Мы используем резонансно-туннельные диоды, в которых ток течет между двумя барьерами в результате туннелирования», — говорит Петр Оуржедник. — «Квантовая яма между барьерами в наших структурах особенно узкая, поэтому там могут существовать только очень специфические и очень немногие электронные состояния». Прикладывая напряжение, эти состояния электронов и их энергии можно изменить.

Обычно ток увеличивается при увеличении электрического напряжения — электрическое сопротивление показывает, в какой степени. Однако в резонансно-туннельных диодах возможен обратный эффект: при увеличении напряжения может случиться так, что состояния электронов в квантовой яме перестанут соответствовать состояниям электронов в других частях структуры. Это означает, что электроны больше не могут переходить из одной области в другую, и ток уменьшается, а не увеличивается. Это означает: электрическое сопротивление становится отрицательным. «Однако отрицательное сопротивление в колебательном контуре означает, что колебательный контур не теряет свою энергию, а вместо этого приобретает энергию. Электромагнитные колебания продолжают идти сами по себе, а внешний постоянный ток преобразуется в терагерцовое излучение», — добавляет Оуржедник.

Главная особенность этой технологии заключается не только в достаточно высокой интенсивности терагерцового излучения, но и в ее малых размерах: вся структура значительно меньше миллиметра. Поэтому потенциально было бы целесообразно встроить его в компактные устройства, такие как смартфоны.

«Идей по применению так много, что мы сегодня даже не можем сказать, какая из них самая реалистичная», — говорит Михаил Фейгинов. — «Терагерцовый диапазон используется в радиоастрономии, с его помощью можно видеть сквозь оптически непрозрачные объекты, например, при проверке безопасности в аэропорту или даже при тестировании материалов. Еще одно интересное применение — химические сенсоры: разные молекулы можно распознать по факту. что они поглощают очень специфические частоты в терагерцовом диапазоне. Все эти технологии выиграют от простых и компактных терагерцовых источников, и мы хотели внести в это важный вклад».

Терагерцовое излучение обычно имеет длину волны чуть меньше одного миллиметра — технически сложный диапазон. Электромагнитные волны с большей длиной волны можно генерировать с помощью обычных электронных компонентов (например, транзисторов) и антенн. Меньшие длины волн можно получить с помощью обычных источников света, таких как лазеры или светодиоды. Тем не менее, терагерцовый диапазон по-прежнему остается технической проблемой.