Na Technickej univerzite vo Viedni (TU Wien) vyvinuli nový, jednoduchý a extrémne kompaktný zdroj žiarenia pre teraherzové vlny.

„Teraherzové žiarenie bude kompaktnejšie a jednoduchšie ako kedykoľvek predtým“

Možné aplikácie sú rôznorodé

Teraherzové žiarenie má zvyčajne vlnovú dĺžku tesne pod milimeter – a to je už technicky náročná oblasť. Elektromagnetické vlny s dlhšou vlnovou dĺžkou sa  dajú generovať pomocou bežných elektronických komponentov, ako sú tranzistory a antény. Menšie vlnové dĺžky je možné získať pomocou bežných svetelných zdrojov, ako sú lasery alebo LED diódy. Rozsah teraherzov medzi nimi je však aj v dnešnej dobe ešte stále technickou výzvou. Toto žiarenie môže byť v rôznych oblastiach veľmi užitočné. Je potrebné pri testovaní materiálov, alebo letiskovej bezpečnostnej techniky a jeho využitie siaha až po rádioastronómiu a možno  bude nevyhnutné aj v budúcich formách telekomunikácií.

Na Technickej univerzite vo Viedni sa teraz podarilo vyrobiť mimoriadne jednoduchý a kompaktný zdroj teraherzového žiarenia. Ide o oscilátor s dvojitými rezonančnými tunelovými diódami, ktorý svojím vyžarovacím výkonom jednoznačne prekonáva podobné komponenty.

Nová technológia bola nedávno publikovaná v odbornom časopise „Applied Physics Letters.”

„Veľkosť čipu namiesto veľkosti laboratórneho stola“

Ako konštatoval profesor Michael Feiginov z Inštitútu elektrodynamiky, mikrovlnného a obvodového inžinierstva, Technickej univerzity vo Viedni: „V súčasnosti existujú rôzne spôsoby generovania teraherzových vĺn. Môžete použiť napríklad kvantové kaskádové lasery. Môžete s nimi dosiahnuť vysoké intenzity, no musíte ich schladiť na veľmi nízke teploty. Alebo sa používajú veľké, komplikované fotonické systémy s niekoľkými lasermi, ktorých žiarenie sa navzájom zmiešava a tak generuje dlhšie vlnové dĺžky a to umožňuje veľmi flexibilne vytvárať požadované vlnové dĺžky.“

Profesor Michael Feiginov z Technickej univerzity Viedeň ďalej uviedol: „Naším cieľom však bolo vyvinúť jednoduchý, extrémne kompaktný teraherzový zdroj, Ak chceme, aby bola technológia v budúcnosti zabudovaná do veľmi jednoduchých každodenných zariadení, potom musia byť teraherzové zdroje malé a pracovať pri normálnej izbovej teplote.“

                                                                   

Nepoužili sme lasery, ani kvantovú kaskádovú technológiu, ale jednoduché oscilátory

Petr Ouředník, prvý autor aktuálnej publikácie (TU Wien) ďalej uviedol: „Oscilátory sú v elektrotechnike niečo veľmi bežné. Keď spojíte určité elektronické komponenty, ako sú cievky a kondenzátory, energia medzi nimi prúdi tam a späť, čo môže vytvárať elektromagnetické žiarenie. Problémom však bývajú straty, ktoré si môžete predstaviť ako stratovú odolnosť. To zvyčajne zabezpečuje, že sa oscilácia v týchto oscilačných obvodoch vo veľmi krátkom čase opäť zastaví.”

„Kvantový trik na negatívny odpor“

Petr Ouředník ďalej komentoval: „To sa však dá zmeniť kvantovými fyzikálnymi trikmi. Používame rezonančné tunelové diódy, kde prúd v dôsledku tunelovania, preteká medzi dvoma bariérami cez rezonančné, alebo kvantové stavy. Kvantová nádoba medzi bariérami je v našich štruktúrach obzvlášť úzka, takže sú v nej fyzicky povolené len veľmi špecifické elektrónové stavy v malom počte. Privedením napätia je možné tieto elektrónové stavy a ich energetické hodnoty zmeniť. Normálne sa tok prúdu zvyšuje, keď sa zvýši elektrické napätie a elektrický odpor udáva, do akej miery. Opačný efekt je však možný pri rezonančných tunelových diódach. Pokiaľ sa zvýši napätie, môže sa stať, že stavy elektrónov v jamke sa už nezhodujú so stavmi elektrónov v ostatných častiach štruktúry. Výsledkom je, že elektróny sa už nemôžu prepínať z jednej oblasti do druhej a tok prúdu sa znižuje namiesto toho, aby sa zvyšoval“.

Ako dodal na záver profesor Michael Feiginov z Technickej univerzity vo Viedni: „Znamená to, že elektrický odpor bude záporný a záporný odpor v rezonančnom obvode znamená, že rezonančný obvod nestráca energiu, ale energiu absorbuje. Elektromagnetická oscilácia sa udržiava v chode a jednosmerný prúd zvonku sa mení na terahertzové žiarenie.“

„Od mobilných telefónov po rádioastronómiu“

Na tejto technológii je pozoruhodná nielen značne vysoká intenzita teraherzového žiarenia, ale predovšetkým jej malá veľkosť. Celá konštrukcia zdroja je výrazne menšia ako jeden milimeter. Hodil by sa teda na zabudovanie do kompaktných zariadení, akými sú smartfóny.

Ako zdôraznil profesor Michael Feiginov: „Nápadov na aplikácie je toľko, že dnes ani nevieme povedať, ktorý z nich je najrealistickejší.“ Ďalej dodal: „Teraherzový rozsah sa využíva v rádioastronómii, možno ním röntgenovať objekty, napríklad pri bezpečnostných kontrolách na letiskách alebo pri testovaní materiálu. Teraherzové lúče sú vzrušujúce aj pre chemické senzory, rôzne molekuly možno rozpoznať podľa toho, že absorbujú veľmi špecifické frekvencie v teraherzovom rozsahu. Všetky tieto technológie budú ťažiť z jednoduchej a kompaktnej konštrukcie teraherzových zdrojov a to je presne to, k čomu sme naším výskumom chceli významne prispieť.“                    

Viac informácií:

Double-resonant-tunneling-diode patch-antenna oscillators

Zdroj: https://www.tuwien.at, zverejnené: 20. 1. 2022, autor: Dr. Blanka Hermanová, rpa