Onderzoekers bij het Max-Born-Institut in Berlijn hebben een supersnelle gelijkrichter ontdekt voor Terahertz straling. In cellen van een lithiumniobaatkristal worden wisselstromen omgezet in gelijkstroom met een duizend keer hogere frequentie dan in moderne computersystemen, waarbij tegelijkertijd ook een serie van harmonische golven van Terahertz straling ontstaan.
Als gitarist Angus Young van de Australische rockband AC/DC aan de snaren van zijn elektrische gitaar plukt, ontstaat een sterk vervormde rockklank in de luidspreker. De oorzaak voor deze elektronisch opgewekte boventonen is het gelijkrichter-effect in de elektronenbuizen van de gitaarversterker.
In het simpelste geval ontstaat uit een wisselstroom (Alternating Current ofwel AC) een gelijkstroom (Direct Current of DC). Dit effect vindt een technische toepassing bij veel hogere frequenties voor radio en mobiele telefonie. Een interessante vraag is, tot welke grenswaarden men gericht gelijkstromen in vaste stoffen kan opwekken en welke mechanismen daarachter zitten.
Ferro-elektrische kristallen
Voor het verkrijgen van gelijkstroom uit wisselstromen moeten de gebruikte materialen één voorkeursrichting hebben. Ferro-elektrische kristallen voldoen aan deze voorwaarde, waarbij de ruimtelijke scheiding van positieve en negatieve ionen is gekoppeld aan een elektrische polarisatie.
De meeste ferro-elektrische materialen zijn isolatoren.: bBij kleine van buitenaf aangelegde elektrische velden loopt er nagenoeg geen elektrische stroom. Dit gedrag verandert drastisch zodra men een sterk elektrisch veld (meerdere 100.000 V/cm) aansluit. Bij een dergelijke veldsterkte kunnen de gebonden elektronen, de zogenaamde valentie-elektronen, door middel van een kwantummechanisch tunnelproces voor korte tijd zeer beweeglijk worden gemaakt, wat een stroom door het kristal oplevert.
Onderzoek aan terahertz golven
Het Max-Born-Institut in Berlijn heeft de eigenschappen van een dergelijke stroom onderzocht. In de vorm van ultrakorte intense Terahertz impulsen werd een wisselend veld aangesloten op een dun kristal van lithiumniobaat (LiNbO3), dat een elektrische stroom in het materiaal opwekt (1 Terahertz = 1 THz = 1012 Hz, duur van een veldwisseling is 1 picoseconde = 1 ps = 10-12 seconde).
De eigenschappen van deze stroom werden bepaald door het meten en analyseren van het uitgestraalde veld. De onderzoekers zagen, behalve een oscillerende stroom met de frequentie van het aangesloten Terahertz veld (2 THz, AC dus) en een veelvoud daarvan ook een gelijkgerichte stroom (DC) in de ferromagnetische voorkeurrichting van het LiNbO3-kristal.
De gelijkgerichte stroom door de ferro-elektrische as heeft zijn oorsprong in het samenspel van kwantummechanische tunnels tussen de valentie- en de verschillende geleidingsbanden van het LiNbO3-kristal en het afremmen van de elektronen door wrijvingsprocessen. Het tunnelproces genereert vrij bewegende elektronen, die zonder wrijving in de frequentie van het aangesloten Terahertz veld ruimtelijk en stoffelijk kunnen oscilleren. Door wrijving wordt de oscillatie verstoord, een als décoherentie aangeduid proces.
Omdat de tunnelbarrière van LiNbO3 van de ferro-elektrische as asymmetrisch is, resulteert dit in een ruimtelijke asymmetrische transport. Dat betekent dat de tunnelbarrière meer elektronen doorlaat van rechts naar links, dan in omgekeerde richting (zie animatie).
Dit mechanisme is werkzaam binnen het kristal, dus op sub-nanometerschaal en zorgt voor de gelijkrichting van het terahertzveld. Dit effect kan ook worden gebruikt in hogere frequentiegebieden, wat interessante mogelijkheden oplevert voor hoogfrequente elektronica.
- Website van Max-Born-Institut
