I ricercatori hanno scoperto nei sistemi conduttivi bidimensionali un nuovo effetto che promette prestazioni migliori dei rivelatori terahertz.

Un team di scienziati del Cavendish Laboratory, insieme ai colleghi delle Università di Augsburg (Germania) e Lancaster, ha scoperto un nuovo effetto fisico quando i sistemi elettronici bidimensionali sono esposti alle onde terahertz.

Prima di tutto, cosa sono le onde terahertz? "Comunichiamo utilizzando telefoni cellulari che trasmettono radiazioni a microonde e utilizzano telecamere a infrarossi per la visione notturna. Il terahertz è il tipo di radiazione elettromagnetica che si trova tra le microonde e le radiazioni infrarosse", spiega il prof. David Ritchie, capo del Semiconductor Physics Group presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, "ma al momento mancano sorgenti e rivelatori di questo tipo di radiazione che sarebbero economici, efficienti e facili da usare. Ciò ostacola l'uso diffuso della tecnologia terahertz."

I ricercatori del gruppo di Fisica dei semiconduttori, insieme ai ricercatori di Pisa e Torino in Italia, sono stati i primi a dimostrare, nel 2002, il funzionamento di un laser a frequenze terahertz, un laser a cascata quantistica. Da allora il gruppo ha continuato a ricercare la fisica e la tecnologia dei terahertz e attualmente studia e sviluppa dispositivi terahertz funzionali che incorporano metamateriali per formare modulatori, nonché nuovi tipi di rivelatori.

Se la mancanza di dispositivi utilizzabili fosse risolta, le radiazioni terahertz potrebbero avere molte applicazioni utili nella sicurezza, nella scienza dei materiali, nelle comunicazioni e nella medicina. Ad esempio, le onde terahertz consentono l'imaging di tessuto canceroso che non potrebbe essere visto ad occhio nudo. Possono essere impiegati in nuove generazioni di scanner aeroportuali sicuri e veloci che consentono di distinguere i medicinali dalle droghe illegali e dagli esplosivi e potrebbero essere utilizzati per consentire comunicazioni wireless ancora più veloci oltre lo stato dell'arte.

Allora, di cosa parla la recente scoperta? "Stavamo sviluppando un nuovo tipo di rivelatore terahertz", afferma il dott. Wladislaw Michailow, Junior Research Fellow al Trinity College di Cambridge, "ma misurando le sue prestazioni, si è scoperto che mostrava un segnale molto più forte di quanto ci si dovrebbe aspettare in teoria. Quindi abbiamo trovato una nuova spiegazione."

Questa spiegazione, come dicono gli scienziati, risiede nel modo in cui la luce interagisce con la materia. Alle alte frequenze, la materia assorbe la luce sotto forma di singole particelle:i fotoni. Questa interpretazione, proposta per la prima volta da Einstein, costituì le basi della meccanica quantistica e spiegò l'effetto fotoelettrico. Questa fotoeccitazione quantistica è il modo in cui la luce viene rilevata dalle fotocamere dei nostri smartphone; è anche ciò che genera elettricità dalla luce nelle celle solari.

Il noto effetto fotoelettrico consiste nel rilascio di elettroni da un materiale conduttivo, un metallo o un semiconduttore, da parte di fotoni incidenti. Nel caso tridimensionale, gli elettroni possono essere espulsi nel vuoto da fotoni nell'intervallo dei raggi ultravioletti o dei raggi X, o rilasciati in un dielettrico nell'intervallo dal medio infrarosso al visibile. La novità sta nella scoperta di un processo di fotoeccitazione quantistica nell'intervallo dei terahertz, simile all'effetto fotoelettrico. "Il fatto che tali effetti possano esistere all'interno di gas di elettroni bidimensionali altamente conduttivi a frequenze molto più basse non è stato finora compreso", spiega Wladislaw, primo autore dello studio, "ma siamo stati in grado di dimostrarlo sperimentalmente". La teoria quantitativa dell'effetto è stata sviluppata da un collega dell'Università di Augusta, in Germania, e il team internazionale di ricercatori ha pubblicato i propri risultati sulla rivista Science Advances .

I ricercatori hanno chiamato il fenomeno di conseguenza, un "effetto fotoelettrico sul piano". Nel documento corrispondente, gli scienziati descrivono diversi vantaggi dello sfruttamento di questo effetto per il rilevamento dei terahertz. In particolare, l'entità della fotorisposta generata dalla radiazione terahertz incidente dall'"effetto fotoelettrico nel piano" è molto più alta di quanto previsto da altri meccanismi che sono stati finora noti per dare origine a una fotorisposta terahertz. Pertanto, gli scienziati si aspettano che questo effetto consentirà la fabbricazione di rivelatori terahertz con una sensibilità sostanzialmente maggiore.

"Questo ci avvicina di un passo al rendere la tecnologia terahertz utilizzabile nel mondo reale", conclude il prof Ritchie. + Esplora ulteriormente

Oscillatori a diodi tunneling risonanti per il rilevamento di onde terahertz