Teraherce to rejon promieniowania pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Określany jest również jako „przerwa” (ang. terahertz gap) – z powodu trudności w generowaniu i detekcji fal w takich zakresach. Mimo tego, że źródła sąsiednich przedziałów fal elektromagnetycznych są dobrze rozwinięte i opracowane, to przy częstotliwościach terahercowych tracą (dosłownie) swoją moc. Co prawda można stosować metody generujące podczerwień lub fale radiowe dla skrajnych wartości THz, czy też oscylatory o częstotliwości gigahercowej, która jest następnie zwielokrotniana, ale uzyskiwany w ten sposób sygnał będzie słaby. Stosuje się również źródła termiczne czy półprzewodnikowe. Wszystkie dotychczasowe rozwiązania są nadal stosunkowo drogie, głównie właśnie z powodu ich ograniczonej liczby oraz rozmiarów – więcej dostępnych rozwiązań z pewnością w przyszłości obniży koszty produkcji i polepszy jakość sygnału. Umożliwi to wykorzystanie promieniowania terahercowego na większą skalę, chociażby zastępując promieniowanie rentgenowskie przy prześwietlaniach.
Naukowcy z uniwersytetów w Oakland, Chapel Hill oraz instytutu Argonne National Laboratories (ANL) stworzyli źródło terahercowe nowej generacji, które nie opiera się na tradycyjnie wykorzystywanym zjawisku fotoelektrycznym, a bazuje na elektronice spinowej. Spintronika wykorzystuje dodatkową własność elektronu – jego spin – którego kierunek można kontrolować przy pomocy pola elektrycznego lub prądów spinowych, bez udziału zewnętrznego pola magnetycznego. Emitowane pole terahercowe jest więc generowane przez ultraszybkie impulsy prądu spinowego, wzbudzane laserem femtosekundowym w dwuwymiarowych hybrydowych halogenkach metali (2D-HMH).
„Stwierdzamy, że po odwróceniu polaryzacji zewnętrznego pola magnetycznego, zarówno faza jak i intensywność emisji teraherców może być kontrolowane koherentnie (rys. b), w przeciwieństwie do heterostruktur metalicznych i trójwymiarowych materiałów HMH, gdzie natężenie emitowanego pola terahercowego jest w większości niezależne od kierunku magnetyzacji i polaryzacji lasera.” – mówi Dali Sun, adiunkt w dziedzinie fizyki na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej, współautor pracy.
2D-HMH mogą okazać się lepsze od materiałów półprzewodnikowych, wymagających zaawansowanych metod osadzania i podatnych na defekty. Poprawa stabilności i skalowalny proces wytwarzania cienkowarstwowych HMH umożliwi sprostanie rosnącemu zapotrzebowaniu na tańsze źródła THz, zapewniające kontrolę spójności emitowanego promieniowania.
a) Schemat struktury hybrydowego spintronicznego emitera terahercowego. b) Antysymetryczne promieniowanie terahercowe przy wzbudzeniu laserem femtosekundowym. Zgodnie z mechanizmem generowania teraherców w metalicznych emiterach spintronicznych, promieniowanie będzie emitowane w dwóch kierunkach (do przodu i do tyłu). Z tego powodu mierzone przebiegi czasowe zawierają dwie grupy pików. Pierwszy z nich odpowiada kierunkowi „dodatniemu” (propagacja do przodu), a drugi opóźniony ze względu na odbicie na powierzchni Źródło: Kankan Cong i in. Coherent control of asymmetric spintronic terahertz emission from two-dimensional hybrid metal halides, Nature Communications (2021).
Przedstawione urządzenie jest lżejsze, tańsze w produkcji i ma lepszą wydajność niż konwencjonalne generatory terahercowe. Ponadto jego poszczególne komponenty są bardziej wytrzymałe i odporne na defekty. Naukowcy mają nadzieję, że ich praca pociągnie za sobą badania nad kolejnymi niskowymiarowymi hybrydowymi materiałami metalohalogenkowymi w przyszłych aplikacjach spintronicznych.
Więcej informacji: Kankan Cong et al, Coherent control of asymmetric spintronic terahertz emission from two-dimensional hybrid metal halides, Nature Communications (2021) (DOI: 10.1038/s41467-021-26011-6)
