TU Wenen verkleint terahertz-stralingsbron van laboratoriumtafel-formaat tot iets dat in een smartphone past

Terahertz-straling heeft een golflengte van doorgaans iets minder dan een millimeter – een technisch moeilijk bereik. Elektromagnetische golven met langere golflengten kunnen worden gegenereerd met gewone elektronische componenten (zoals transistors) en antennes. Kleinere golflengten kunnen worden verkregen met gewone lichtbronnen, zoals lasers of Leds. Het terahertz-bereik daartussenin is echter nog steeds een technische uitdaging.

Straling in dit bereik is echter erg nuttig. Het is nodig op veel gebieden, van materiaaltesten of luchthavenbeveiligingscontrole tot radioastronomie, en misschien ook in toekomstige telecommunicatiesystemen.

TU Wenen is er nu in geslaagd een uiterst eenvoudige en compacte bron van terahertzstraling te produceren: een oscillator met dubbele resonant-tunneling diodes. Het stralingsvermogen overtreft aanzienlijk dat van vergelijkbare apparaten. De technologie is gepubliceerd in Applied Physics Letters.

Van laboratoriumtafel- naar chipformaat

"Vandaag de dag zijn er verschillende manieren om terahertz-golven te genereren", zegt Michael Feiginov (Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering). "Je kunt bijvoorbeeld kwantumcascadelasers gebruiken. Daarmee kun je hoge intensiteiten bereiken, maar die moeten wel tot zeer lage temperaturen worden afgekoeld. Ook kunnen grote, gecompliceerde fotonische systemen worden gebruikt, met meerdere optische lasers waarvan straling wordt met elkaar gemengd om langere golflengten te produceren. Dit maakt het mogelijk om de gewenste golflengten op een zeer flexibele manier te produceren. Ons doel was echter om een ​​eenvoudige en uiterst compacte terahertz-bron te ontwikkelen. Als we een technologie willen opnemen in alledaagse apparaten in de toekomst moeten de terahertzbronnen klein zijn en bij normale kamertemperatuur functioneren."

Kwantumtruc voor negatieve weerstand

Daartoe gebruikte het team geen optische of kwantumcascadelasers, maar eenvoudige oscillatoren. "Oscillatoren zijn iets heel gewoons in de elektrotechniek", zegt eerste auteur Petr Ouředník. "Als bepaalde elektronische componenten, zoals spoelen en condensatoren, worden gekoppeld, dan stroomt de energie daartussen heen en weer, waardoor elektromagnetische straling ontstaat. Maar het probleem zijn meestal de verliezen, die je je kunt voorstellen als elektrische weerstand. Dit zorgt er normaal gesproken voor dat de oscillaties in deze resonantiecircuits komen na zeer korte tijd tot stilstand."

Dit kan echter worden veranderd met kwantumfysica-trucs: "We gebruiken resonant-tunneling diodes, waarbij de stroom tussen twee barrières vloeit als gevolg van tunneling. De kwantumput tussen de barrières is bijzonder smal in onze structuren, dus alleen heel specifiek en daar kunnen maar heel weinig elektronentoestanden bestaan." Door een spanning aan te leggen, kunnen deze elektronentoestanden en hun energieën worden veranderd.

Negatief wordt positief

Normaal gesproken neemt de stroomsterkte toe wanneer de elektrische spanning wordt verhoogd – de elektrische weerstand geeft aan in welke mate. Bij resonant-tunneling diodes is echter het tegenovergestelde effect mogelijk: als de spanning toeneemt, kan het gebeuren dat de elektronentoestanden in de kwantumput niet meer overeenkomen met de elektronentoestanden in de andere delen van de structuur. Dit betekent dat de elektronen niet meer kunnen oversteken van het ene gebied naar het andere en dat de stroomsterkte afneemt in plaats van toeneemt. Dit betekent: de elektrische weerstand wordt negatief. "Een negatieve weerstand in het oscillerende circuit betekent echter dat het oscillerende circuit zijn energie niet verliest, maar in plaats daarvan energie krijgt. De elektromagnetische oscillaties blijven vanzelf doorgaan en de externe gelijkstroom wordt omgezet in terahertz-straling", zegt Feiginov.  

Van mobiele telefoons tot radioastronomie

Het opmerkelijke van deze technologie is niet alleen de aanzienlijk hoge intensiteit van de terahertzstraling, maar vooral de kleine omvang: de hele constructie is aanzienlijk kleiner dan een millimeter. Het zou daarom potentieel geschikt zijn om te worden ingebouwd in compacte apparaten zoals smartphones.

"Er zijn zoveel toepassingsideeën dat we vandaag niet eens kunnen zeggen welke het meest realistisch is", zegt Michael Feiginov. "Het terahertz-bereik wordt gebruikt in de radioastronomie, men kan het gebruiken om door optisch ondoorzichtige objecten te kijken, bijvoorbeeld bij veiligheidscontroles op de luchthaven of zelfs bij materiaaltesten. Een andere spannende toepassing zijn chemische sensoren: verschillende moleculen kunnen worden herkend aan het feit dat ze zeer specifieke frequenties in het terahertz-bereik absorberen. Al deze technologieën zullen profiteren van eenvoudige en compacte terahertz-bronnen, en daar wilden we een belangrijke bijdrage aan leveren."