Nanoapparaat kan door muren heen kijken (video)

Onderzoekers van EPFL hebben een apparaat op nanoschaal ontwikkeld dat meer dan 10 keer sneller werkt dan de snelste transistors van vandaag en dat het genereren van krachtige terahertz-golven mogelijk maakt. Deze notoir moeilijk te produceren golven zijn nuttig in allerlei toepassingen, variërend van beeldvorming en detectie tot snelle draadloze communicatie. De krachtige picosecondewerking belooft tevens een geavanceerde medische behandelingstechnieken zoals kankertherapie.

De techniek is gepubliceerd in Nature.

Terahertz (THz)-golven vallen tussen microgolf- en infraroodstraling in het elektromagnetische spectrum en oscilleren met frequenties tussen 100 miljard en 30 biljoen cycli per seconde. Deze golven kunnen papier, kleding, hout en muren binnendringen en luchtvervuiling detecteren. THz-bronnen beloven revoluties voor beveiliging en medische beeldvorming. Bovendien kan hun vermogen om enorme hoeveelheden gegevens te vervoeren de sleutel zijn tot snellere draadloze communicatie.

THz-golven zijn een soort niet-ioniserende straling, wat betekent dat ze geen risico vormen voor de menselijke gezondheid. Op sommige luchthavens wordt de technologie al gebruikt om passagiers te scannen en gevaarlijke objecten en stoffen te detecteren.

Hoewel ze veelbelovend zijn, worden THz-golven niet veel gebruikt. Ze zijn namelijk duur en lastig te genereren. Maar nieuwe technologie die door onderzoekers van EPFL is ontwikkeld, kan dat veranderen. Het team van het Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (Powerlab), onder leiding van Elison Matioli, bouwde een nanodevice dat extreem krachtige signalen kan genereren in slechts enkele picoseconden - wat krachtige THz-golven oplevert.

 Het compacte, goedkope, volledig elektrische nanodevice genereert in een mum van tijd golven van hoge intensiteit uit een kleine bron. Het werkt door een krachtige ‘vonk' te produceren, met een spanning die piekt van 10 V (of lager) tot 100 V binnen een picoseconde. Het apparaat kan deze vonken direct achter elkaar genereren, zodat het elke seconde tot 50 miljoen signalen kan uitzenden. Wanneer het systeem is aangesloten op antennes, kan het krachtige THz-golven produceren en uitstralen.

Het apparaat bestaat uit twee metalen platen die heel dicht bij elkaar liggen, tot 20 nanometer uit elkaar. Wanneer er spanning op wordt gezet, stromen elektronen naar een van de platen, waar ze een nanoplasma vormen. Zodra de spanning een bepaalde drempel bereikt, worden de elektronen vrijwel onmiddellijk naar de tweede plaat uitgezonden. Deze snelle beweging, mogelijk gemaakt door zulke snelle schakelaars, creëert een puls met hoge intensiteit die hoogfrequente golven produceert.

Waar conventionele elektronische apparaten kunnen schakelen met snelheden tot één volt per picoseconde, is het nieuwe nanodevice tot dan tien keer sneller, waarbij het zowel hoogenergetische als hoogfrequente pulsen kan genereren. "Normaal gesproken is het onmogelijk om voor beide variabelen hoge waarden te bereiken", zegt Matioli. "Hoogfrequente halfgeleiderapparaten zijn te klein. Ze kunnen maar een paar volt aan. Krachtige apparaten zijn te groot en te traag om terahertz-golven te genereren. Onze oplossing was om het oude plasmaveld opnieuw te bekijken met de modernste fabricagetechnieken op nanoschaal om een nieuw apparaat voor te stellen dat die beperkingen omzeilt."