Создан сверхчувствительный детектор терагерцового излучения

Исследователи совершили прорыв в области терагерцовых технологий, создав компактный квантовый детектор на основе специально спроектированной метаповерхности. Новое устройство способно фокусировать и усиливать электромагнитную энергию в мельчайших активных зонах, что повышает эффективность обнаружения сигнала примерно в 20 раз по сравнению с предыдущими аналогами.

Обнаружение терагерцового излучения с помощью фотоэлектрического терагерцового детектора с регулируемым шагом на основе квантовой метаповерхности – путь к высокочувствительной визуализации и зондированию в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра

Источник: W. Michailow and R. Xia

Исследователи впервые создали квантовый детектор с метаповерхностью, который может сделать терагерцовые технологии гораздо более практичными и распространенными. Инновационный подход концентрирует энергию излучения, значительно усиливая электрический сигнал и устраняя потребность в громоздком оборудовании. Статья об открытии опубликована в журнале Advanced Photonics.

Терагерцовый диапазон, расположенный между микроволнами и инфракрасным светом, долгое время оставался сложным для освоения. Существующие детекторы зачастую слишком медленны, обладают низкой чувствительностью или требуют дорогостоящего криогенного охлаждения.

Международная команда ученых нашла решение, объединив принципы квантовой физики со свойствами метаповерхностей. В основе нового устройства лежит внутриплоскостной фотоэлектрический эффект. При попадании терагерцовых фотонов энергия передается электронам, находящимся в двумерном электронном газе. Эти электроны преодолевают специально созданный потенциальный барьер, генерируя измеримый электрический ток.

Главным отличием от традиционных детекторов стало использование метаповерхности с узором, напоминающим кирпичную кладку. Эта структура не только улавливает излучение, но и направляет его в узкие зазоры, каждый из которых работает как микроскопический детектор. Объединив множество таких элементов, исследователи получили мощный суммарный сигнал.

Новая архитектура позволила встроить чувствительные элементы непосредственно в те области, где электрическое поле максимально

Источник: Unsplash

Без внешней оптики и шумов

Новая архитектура позволила встроить чувствительные элементы непосредственно в те области, где электрическое поле максимально. Это исключило необходимость использования внешних фокусирующих линз.

Во время испытаний при температуре 10 Кельвинов детектор продемонстрировал двадцатикратное увеличение квантовой эффективности на частоте 1,9 ТГц по сравнению с предыдущими разработками. Еще одним важным преимуществом стало отсутствие темновых токов — устройство работает при нулевом напряжении смещения, что существенно снижает уровень шума.

Технология совместима со стандартными методами производства полупроводников, что открывает путь к ее интеграции с микроэлектроникой. Ученые предполагают, что в будущем подобные детекторы смогут работать при более высоких температурах, находя применение в беспроводных сетях, медицине, астрономии и контроле качества на производстве.

Ранее ученые смогли миниатюризировать квантовые излучатели при помощи лазеров.