As ondas terahertz estão se tornando cada vez mais importantes na ciência e na tecnologia. Eles nos permitem desvendar as propriedades de materiais futuros, testar a qualidade da pintura automotiva e dos envelopes da tela. Mas gerar essas ondas ainda é um desafio. Uma equipe da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), A TU Dresden e a Universidade de Konstanz já fizeram um progresso significativo. Os pesquisadores desenvolveram um componente de germânio que gera pulsos de terahertz curtos com uma propriedade vantajosa:os pulsos têm um espectro de banda larga extremo e, portanto, fornecem muitas frequências de terahertz diferentes ao mesmo tempo. Como foi possível fabricar o componente empregando métodos já usados ​​na indústria de semicondutores, o desenvolvimento promete uma ampla gama de aplicações em pesquisa e tecnologia, como a equipe relata no jornal Light:Ciência e Aplicações .

Assim como a luz, ondas terahertz são categorizadas como radiação eletromagnética. No espectro, eles ficam bem entre as microondas e a radiação infravermelha. Mas, embora as microondas e a radiação infravermelha tenham entrado em nossas vidas cotidianas há muito tempo, ondas terahertz estão apenas começando a ser usadas. A razão é que os especialistas só conseguiram construir fontes razoavelmente aceitáveis ​​para ondas terahertz desde o início dos anos 2000. Mas esses transmissores ainda não são perfeitos - eles são relativamente grandes e caros, e a radiação que eles emitem nem sempre tem as propriedades desejadas.

Um dos métodos de geração estabelecidos é baseado em um cristal de arsenieto de gálio. Se este cristal semicondutor for irradiado com pulsos de laser curtos, portadores de carga de arsenieto de gálio são formados. Essas cargas são aceleradas pela aplicação de tensão que força a geração de uma onda terahertz - basicamente o mesmo mecanismo de um mastro de transmissor VHF, onde cargas móveis produzem ondas de rádio.

Contudo, este método tem uma série de desvantagens:"Só pode ser operado com lasers especiais relativamente caros, "explica o físico do HZDR, Dr. Harald Schneider." Com lasers padrão do tipo que usamos para comunicações de fibra óptica, não funciona. "Outra deficiência é que os cristais de arsenieto de gálio fornecem apenas pulsos de terahertz de banda relativamente estreita e, portanto, uma faixa de frequência restrita - o que limita significativamente a área de aplicação.

Implantes de metais preciosos

É por isso que Schneider e sua equipe estão apostando em outro material - o germânio semicondutor. "Com o germânio, podemos usar lasers mais baratos, conhecidos como lasers de fibra, "diz Schneider." Além disso, os cristais de germânio são muito transparentes e, portanto, facilitam a emissão de pulsos de banda muito larga. "Mas, até aqui, eles tiveram um problema:se você irradiar germânio puro com um pulso de laser curto, leva vários microssegundos antes que a carga elétrica no semicondutor desapareça. Só então o cristal pode absorver o próximo pulso de laser. Lasers de hoje, Contudo, pode disparar seus pulsos em intervalos de algumas dezenas de nanossegundos - uma sequência de tiros muito rápida para o germânio.

Para superar essa dificuldade, especialistas procuraram uma maneira de fazer as cargas elétricas no germânio desaparecerem mais rapidamente. E eles encontraram a resposta em um metal precioso proeminente - ouro. "Usamos um acelerador de íons para atirar átomos de ouro em um cristal de germânio, "explica o colega de Schneider, Dr. Abhishek Singh. "O ouro penetrou no cristal a uma profundidade de 100 nanômetros." Os cientistas então aqueceram o cristal por várias horas a 900 graus Celsius. O tratamento térmico garantiu que os átomos de ouro fossem uniformemente distribuídos no cristal de germânio.

O sucesso começou quando a equipe iluminou o germânio salpicado com pulsos de laser ultracurtos:em vez de ficar pendurado no cristal por vários microssegundos, os portadores de carga elétrica desapareceram novamente em menos de dois nanossegundos - cerca de mil vezes mais rápido do que antes. Falando figurativamente, o ouro funciona como uma armadilha, ajudando a capturar e neutralizar as cargas. "Agora, o cristal de germânio pode ser bombardeado com pulsos de laser em uma alta taxa de repetição e ainda funcionar, "Singh tem o prazer de relatar.

Fabricação barata possível

O novo método facilita pulsos de terahertz com uma largura de banda extremamente ampla:em vez de 7 terahertz usando a técnica de arseneto de gálio estabelecida, agora é dez vezes maior - 70 terahertz. "Recebemos uma ampla, contínuo, espectro sem intervalos de uma só vez ", Harald Schneider se entusiasma. "Isso significa que temos uma fonte realmente versátil em mãos que pode ser usada para as mais diversas aplicações." Outro benefício é que, efetivamente, Os componentes de germânio podem ser processados ​​com a mesma tecnologia usada para microchips. "Ao contrário do arsenieto de gálio, germânio é compatível com silício, "Schneider observa." E como os novos componentes podem ser operados junto com lasers de fibra óptica padrão, você poderia tornar a tecnologia bastante compacta e barata. "

Isso deve transformar o germânio dopado com ouro em uma opção interessante não apenas para aplicações científicas, como a análise detalhada de materiais bidimensionais inovadores, como o grafeno, mas também para aplicações em medicina e tecnologia ambiental. Pode-se imaginar sensores, por exemplo, que rastreiam certos gases na atmosfera por meio de seu espectro terahertz. As fontes de terahertz de hoje ainda são muito caras para esse propósito. Os novos métodos, desenvolvido em Dresden-Rossendorf, poderia ajudar a tornar sensores ambientais como este muito mais baratos no futuro.