L'effetto fotoelettrico convenzionale (esterno) in un mezzo conduttore. (a) La geometria di un tipico esperimento. (b) La struttura a bande e il processo di assorbimento dei fotoni:Vmet e Vvac sono i fondi delle bande di conduzione in un metallo e nel vuoto; EF è l'energia di Fermi degli elettroni nel metallo. ϕ=Vvac −EF>0 è la funzione di lavoro. (c) La dinamica del processo di fotoeccitazione:alla normale incidenza della radiazione gli elettroni acquisiscono una quantità di moto px parallelamente alla superficie, mentre per fuoriuscire dal materiale necessitano di una componente di quantità di moto pz perpendicolare all'interfaccia materiale-vuoto (mostrato dalla linea spessa magenta). Gli elettroni possono ottenere la quantità di moto pz dopo alcuni eventi di dispersione nel metallo o sotto incidenza obliqua della radiazione. Credito:Revisione fisica B (2022). DOI:10.1103/PhysRevB.106.075411
Il rilevamento delle onde elettromagnetiche nella gamma di frequenza dei terahertz rimane un problema impegnativo. I ricercatori dell'Università di Cambridge, insieme ai fisici dell'Università di Augusta, hanno recentemente scoperto un nuovo effetto fisico che potrebbe cambiarlo. In un nuovo studio, gli scienziati stanno ora sviluppando una teoria che spiega il meccanismo alla base. Le loro scoperte consentono di costruire rivelatori terahertz piccoli, economici e altamente sensibili. Questi potrebbero essere utilizzati, ad esempio, nella diagnostica medica, per i controlli di sicurezza senza contatto o per una trasmissione dati wireless più veloce. I risultati della nuova teoria sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review B .
Quando i raggi X o i raggi UV cadono su una superficie metallica, espellono gli elettroni dal materiale. Questo "effetto fotoelettrico" può costituire la base per rivelatori che rilevano la presenza di onde elettromagnetiche.
In una forma leggermente modificata, un effetto simile viene utilizzato nei chip di registrazione delle fotocamere digitali o nelle celle solari. Questi reagiscono alla luce visibile e infrarossa. Tuttavia, la sua energia è significativamente inferiore a quella della radiazione UV ed è quindi insufficiente per rilasciare elettroni dal materiale. Invece, la radiazione può modificare le proprietà elettriche delle strutture a semiconduttore, che di solito sono cattivi conduttori. Se esposti alla luce, invece, diventano conduttivi o possono anche generare tensioni.
L'energia della radiazione terahertz è persino inferiore a quella della luce visibile o infrarossa. La radiazione THz di solito non fornisce energia sufficiente nemmeno per eccitare gli elettroni nei semiconduttori. Attualmente esistono diversi tipi di rivelatori di radiazione terahertz, ma sono ancora necessari rivelatori THz più efficienti, economici e compatti. Pertanto, i ricercatori continuano a cercare principi fisici alternativi per rilevare le radiazioni terahertz.
"Recentemente, insieme ai colleghi del Regno Unito, abbiamo scoperto un nuovo effetto fisico che consente la costruzione di rivelatori altamente sensibili", spiega il dottor Sergey Mikhailov dell'Istituto di fisica dell'Università di Augusta. "Si basa su materiali semiconduttori con un gas di elettroni bidimensionale, un sottile strato conduttivo che si forma sotto la superficie del semiconduttore. In determinate condizioni, un tipo di effetto fotoelettrico può essere osservato anche a frequenze terahertz in una tale struttura. Quando questo semiconduttore la struttura è illuminata da onde elettromagnetiche, viene generata una corrente nel gas di elettroni bidimensionali in una direzione parallela alla superficie del semiconduttore."
Nel loro attuale lavoro, i ricercatori hanno sviluppato una teoria di questo "effetto fotoelettrico sul piano" che spiega il meccanismo in modo più dettagliato. Dai loro risultati possono essere derivate varie previsioni. Ad esempio, in base all'effetto, dovrebbe essere possibile costruire rivelatori sensibili all'intero intervallo di terahertz (radiazioni con frequenze comprese tra 0,1 e 10 terahertz o con lunghezze d'onda comprese tra 3 e 0,03 millimetri). "Questa è un'area in cui qualsiasi nuovo meccanismo di rilevamento è di grande valore", afferma Mikhailov. In teoria, dovrebbe anche essere possibile costruire rivelatori che rispondano a intensità di radiazione molto basse.
Questi potrebbero essere utilizzati in varie applicazioni. Ad esempio, le cellule tumorali della pelle potrebbero essere facilmente rilevate utilizzando radiazioni terahertz. Tali rilevatori potrebbero essere utilizzati anche per trovare le più piccole quantità di droga o materiale esplosivo ai controlli di sicurezza. Inoltre, le onde terahertz oscillano avanti e indietro più velocemente della radiazione elettromagnetica attualmente utilizzata nelle comunicazioni mobili. Per questo motivo, possono trasmettere molte più informazioni nello stesso lasso di tempo. I nuovi rilevatori potrebbero quindi fornire un aumento di velocità per Internet mobile. + Esplora ulteriormente
