Le onde terahertz stanno diventando sempre più importanti nella scienza e nella tecnologia. Ci permettono di svelare le proprietà dei materiali futuri, testare la qualità della vernice automobilistica e delle buste per schermi. Ma generare queste onde è ancora una sfida. Un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresda e l'Università di Costanza hanno compiuto progressi significativi. I ricercatori hanno sviluppato un componente al germanio che genera brevi impulsi terahertz con una proprietà vantaggiosa:gli impulsi hanno uno spettro a banda larga estremo e quindi forniscono molte frequenze terahertz diverse contemporaneamente. Poiché è stato possibile produrre il componente utilizzando metodi già utilizzati nell'industria dei semiconduttori, lo sviluppo promette un'ampia gamma di applicazioni nella ricerca e nella tecnologia, come riporta il team sul diario Luce:scienza e applicazioni .

Proprio come la luce, Le onde terahertz sono classificate come radiazioni elettromagnetiche. Nello spettro, cadono proprio tra le microonde e le radiazioni infrarosse. Ma mentre le microonde e le radiazioni infrarosse sono entrate da tempo nella nostra vita quotidiana, Le onde terahertz stanno appena iniziando ad essere utilizzate. Il motivo è che gli esperti sono stati in grado di costruire fonti ragionevolmente accettabili per le onde terahertz solo dall'inizio degli anni 2000. Ma questi trasmettitori non sono ancora perfetti:sono relativamente grandi e costosi, e la radiazione che emettono non ha sempre le proprietà desiderate.

Uno dei metodi di generazione consolidati si basa su un cristallo di arseniuro di gallio. Se questo cristallo semiconduttore viene irradiato con brevi impulsi laser, si formano portatori di carica di arseniuro di gallio. Queste cariche vengono accelerate applicando una tensione che impone la generazione di un'onda terahertz, fondamentalmente lo stesso meccanismo di un trasmettitore VHF in cui le cariche in movimento producono onde radio.

Però, questo metodo presenta una serie di inconvenienti:"Può essere utilizzato solo con laser speciali relativamente costosi, " spiega il fisico HZDR Dr. Harald Schneider. "Con i laser standard del tipo che usiamo per le comunicazioni in fibra ottica, non funziona." Un altro difetto è che i cristalli di arseniuro di gallio forniscono solo impulsi terahertz a banda relativamente stretta e quindi un intervallo di frequenza ristretto, che limita significativamente l'area di applicazione.

Protesi in metalli preziosi

Ecco perché Schneider e il suo team stanno scommettendo su un altro materiale:il germanio semiconduttore. "Con il germanio possiamo usare laser meno costosi noti come laser a fibra, "dice Schneider. "Inoltre, i cristalli di germanio sono molto trasparenti e quindi facilitano l'emissione di impulsi a banda molto larga." Ma, finora, hanno avuto un problema:se irradi germanio puro con un breve impulso laser, ci vogliono diversi microsecondi prima che la carica elettrica nel semiconduttore scompaia. Solo allora il cristallo può assorbire il successivo impulso laser. I laser di oggi, però, possono sparare i loro impulsi a intervalli di poche dozzine di nanosecondi, una sequenza di colpi troppo veloce per il germanio.

Per superare questa difficoltà, gli esperti hanno cercato un modo per far sparire più rapidamente le cariche elettriche nel germanio. E trovarono la risposta in un importante metallo prezioso:l'oro. "Abbiamo usato un acceleratore di ioni per sparare atomi d'oro in un cristallo di germanio, " spiega il collega di Schneider, Il dottor Abhishek Singh. "L'oro è penetrato nel cristallo fino a una profondità di 100 nanometri". Gli scienziati hanno quindi riscaldato il cristallo per diverse ore a 900 gradi Celsius. Il trattamento termico ha assicurato che gli atomi d'oro fossero distribuiti uniformemente nel cristallo di germanio.

Il successo ha avuto inizio quando il team ha illuminato il germanio pepato con impulsi laser ultracorti:invece di restare nel cristallo per diversi microsecondi, i portatori di carica elettrica sono scomparsi di nuovo in meno di due nanosecondi, circa mille volte più velocemente di prima. In senso figurato, l'oro funziona come una trappola, aiutando a catturare e neutralizzare le accuse. "Ora il cristallo di germanio può essere bombardato con impulsi laser ad alta frequenza di ripetizione e continuare a funzionare, " Singh è lieto di riferire.

Produzione economica possibile

Il nuovo metodo facilita gli impulsi terahertz con una larghezza di banda estremamente ampia:invece di 7 terahertz utilizzando la consolidata tecnica di arseniuro di gallio, ora è dieci volte maggiore:70 terahertz. "Otteniamo un ampio, continuo, spettro senza interruzioni in un colpo solo", Harald Schneider è entusiasta. "Ciò significa che abbiamo una fonte davvero versatile a portata di mano che può essere utilizzata per le applicazioni più diverse". Un altro vantaggio è che, effettivamente, i componenti in germanio possono essere lavorati con la stessa tecnologia utilizzata per i microchip. "A differenza dell'arseniuro di gallio, il germanio è compatibile con il silicio, " osserva Schneider. "E poiché i nuovi componenti possono essere utilizzati insieme a laser a fibra ottica standard, potresti rendere la tecnologia abbastanza compatta ed economica."

Questo dovrebbe trasformare il germanio drogato in oro in un'opzione interessante non solo per applicazioni scientifiche, come l'analisi dettagliata di materiali bidimensionali innovativi come il grafene, ma anche per applicazioni in medicina e tecnologia ambientale. Si potrebbero immaginare sensori, ad esempio, che tracciano determinati gas nell'atmosfera per mezzo del loro spettro terahertz. Le sorgenti terahertz odierne sono ancora troppo costose per lo scopo. I nuovi metodi, sviluppato a Dresda-Rossendorf, potrebbe aiutare a rendere sensori ambientali come questo molto più economici in futuro.