Een aan de TU Darmstadt ontwikkelde terahertz-zender genereert de hoogste terahertz-frequentie, die ooit werd bereikt door een elektronische zender. Tegelijkertijd is de nieuwe zender in de spil zijn functioneren bij kamertemperatuur. Hiermee zou de zender de weg kunnen effenen voor nieuwe toepassingen van de terahertz straling, zoals bij niet destructieve materiaalonderzoeken of medische diagnostiek.
Met behulp van een straling die door alledaagse materialen als kunststof, papier, textiel of keramiek gaat, zou de kwaliteit van een werkstuk op niet destructieve manier kunnen worden vastgesteld. Verbrandingsprocessen zouden in een draaiende motor kunnen worden geanalyseerd. Postpakketten en brieven kunnen worden onderzocht op gevaarlijke biologische substanties zonder ze te moeten openen. Dat zou alles mogelijk kunnen zijn met behulp van de terahertz (THz) straling, waarvan de golflengte ligt tussen een 10e millimeter en een millimeter. Voor dagelijks gebruik in onderzoek en ontwikkeling wordt de tera hertz straling nog niet gebruikt, want zowel de zender als ontvanger zijn tot nog toe zeer groot en zeer duur.
Dat zal binnenkort anders kunnen worden: de onderzoekers Darmstadt en ingenieurs hebben in zijn ontwikkeld voor de tera hertz straling, die kleiner is dan een vierkante millimeter en waarvan de productiekosten min of meer overeenkomen met gebruikelijke halfgeleidertechnologie. Bovendien stelden de onderzoekers rond dr. Michael Feiginov vanuit Institut für Mikrowellentechnik und Photonik van de TU Darmstadt een nieuw record op rij en frequentie van hun bron, een zogenaamde resonantie tunnel diode (afgekort RTD-diode) die uitzendt met een frequentie van 1,111 terahertz.
“Dat is de hoogste frequentie, die een actief halfgeleider component ooit heeft bereikt”, zegt Feiginov. Theoretisch konden de fysici bovendien aantonen, dat een dergelijk kleine zender, zoals die door de onderzoekers in Darmstadt werd geproduceerd, nog beduidend hogere frequenties tot wel 3 THz kan opwekken. “In het THz-onderzoeksgebied gold dit tot nog toe als onmogelijk”, zegt Feiginov, die de zender in de komende jaren verder wil ontwikkelen, zodat hij deze hogere frequentie daadwerkelijk haalt. De materiaalanalyse kon met behulp van de THz-straling met een hogere resolutie worden uitgevoerd, waardoor op de beeldende kleinere details te herkennen waren.
Medische wereld profiteert
Dat de RTD-diode van de wetenschappers uit Darmstadt bovendien bij kamertemperatuur functioneert, maakt hem nog aantrekkelijker voor technische toepassingen. “Hij zou bijvoorbeeld kunnen dienen voor spectroscopische onderzoeken van moleculen, die in het THz-gebied een resonantie frequentie hebben”, zegt Feiginov. Dat betekent, dat stoffen die tot nog toe niet in de spectraalanalyse konden worden onderzocht, maar deze wijdverbreide methode in het THz-gebied kunnen worden onderzocht. De medische wereld zou daarvan kunnen profiteren, doordat bijvoorbeeld ziek van gezond weefsel in het lichaam kan worden onderscheiden.
Actieve halfgeleider componenten, waartoe ook de THz-zender uit Darmstadt behoort, vormen het hart van moderne informatie- en communicatietechnologie in elk elektronisch apparaat. Daarom gaat Feiginov ervan uit, dat er nog veel andere toepassingsgebieden zullen zijn die op dit moment nog nauwelijks zijn te voorzien. “Een hogere frequentie van componenten zal tot nieuwe toepassingen op het gebied van computers, mobiele telefoons en andere elektronische apparaten kunnen leiden”, benadrukte de fysicus.
De terahertz-zender emitteert de recordfrequentie van 1,111 THz. Bij de miniaturisering van hun component krijgen de onderzoekers op de grens van het technisch haalbare (foto: TU Darmstadt)
Quantum-Well
Bij de miniaturisering van hun component gingen de onderzoekers de afgelopen jaren tot aan de grens van het technisch mogelijke. Het hart van de RTD-diode die zogenaamde dubbele barrièrestructuur, is ingebed in een zogenaamde Quantum-Well (kortweg QW). Bij de QW gaat het om een zeer dunne laag van de halfgeleider indium-gallium-arsenide, die tussen twee uiterst dunne barrièrelagen van de halfgeleider aluminium-arsenide is ingebed. Elk van de lagen is een tot enkele nanometers (miljoenste millimeter) dik.
Deze dubbele barrièrestructuur zorgt met behulp van een kwantum mechanische effect, dat de elektrische trillingen in een terahertz oscillator niet afzwakken, maar telkens weer versterkt worden, zodat een constante tijd straling wordt geëmitteerd. Bij de productie van hun diode werkten de onderzoekers van de TU samen met de producent van elektronische bouwelementen ACST GmbH uit Darmstadt.
