太赫兹的差距:死区

太赫兹电磁波谱(太赫兹)地区的电子和光学之间有时被称为死区,并有充分的理由。

与外部限制通常采取300 ghz 10太赫兹(10×10¹²赫兹),太赫兹辐射对应于一个波长范围约1和0.03毫米之间。在较低的频率是毫米或微波辐射的电子政府,用于无线通信等应用程序。在更高的频率是光学政权,主动光学仪器半导体激光器和发光二极管产生近红外和可见光光纤传输和数据存储。这两个世界是太赫兹技术之间的差距,在传统固态光学和电子技术不合格。直到几年前,产生和探测太赫兹辐射是极其困难的,持有巨大的承诺但地方遥不可及。

太赫兹辐射电离,所以它是安全的使用在人类身上,但它可以穿透许多视觉上不透明的材料。这使得它可能有用的安全扫描隐藏武器、爆炸物、或生物制剂如炭疽。它与水相互作用强烈,但经过几毫米的生物组织,所以还可以用于医学成像,或者研究细胞和分子生物学的基础知识。

它打败了红外线的分辨能力,因为它更少的瑞利散射,成像细节小于1毫米宽。和许多分子作用,如旋转和振动,躺在太赫兹范围内,这意味着同样的光谱仪器能同时调查材料的物理和化学性质。

愿望列表的顶部为该领域的研究人员是高功率源,更敏感的探测器,和一个紧凑的方式调整辐射技术,将有助于降低成本和复杂性的太赫兹光谱和成像系统。稳步推进正在报道这些构建块,这都是受材料科学的进步。

我这一代

最终,太赫兹技术是一个数字游戏:更多的权力提供了更小、更便宜的太赫兹成像系统+快速数据采集。一个新兴的技术称为量子级联激光器(QCL)将发挥核心作用在下一代太赫兹成像和光谱系统。欧盟TeraNova研发项目,例如,进行集约评价工作QCL太赫兹代方案。

在这些设备,我们依靠低维结构的量子力学来提供能量的激光发射,”解释TeraNova马丁·张伯伦杜伦大学的项目领导英国。

最常见的激光,从超市条形码读者CD播放机,依靠半导体晶体与一个特定的能源之间的传导和价带。电子从一个到另一个下降发出单个光子的特定频率完全依赖于这种带隙。

而是QCL激光包含互层的两种不同类型的半导体。作为一个电子穿过晶体,它通过这些步骤层像球一样滚下来的山上,在每个水平发射光子。层的厚度,以及半导体的化学成分,确定这些光子的波长,使它更容易调整装置发射一定频率。科学家在2002年上迈出了第一步,通过构建一个QCL 4.4太赫兹产生强烈的辐射。

张伯伦说,目前面临的主要挑战TeraNova伙伴,使设备工作在较低频率(1太赫兹是目标);使设备工作在合理的温度不需要低温冷却;和有效地提取辐射设备。

虽然这些系统能够产生一个连续流的辐射可以产生实时成像的电影,能够产生一系列的太赫兹脉冲也可以是有用的。太赫兹时域光谱使用令人难以置信的短脉冲辐射,每个皮秒(10^-12年在持续时间。这可以挑选材料,如独特的光谱指纹爆炸物或麻醉剂,并明确安全扫描系统的潜能。

脉冲太赫兹设备成为可能,实现超短脉冲激光在1990年代早期,一个突破,允许程序生成稳定的光脉冲的10 fs (10×10^-15年。这些脉冲的近红外激光定向到一个合适的photoconverter,如半导体砷化镓、碲化锌,然后激发太赫兹的输出材料。

瑞士苏黎世ETH阿诺施耐德和他的同事们,都是这种方法的主要先驱者宽带太赫兹的一代。而是比使用传统的无机半导体将光转化为太赫兹脉冲,多学科团队——物理学家、材料科学家,化学家,是将精力集中在一个有机晶体盐称为4 -N,N '-dimethylamino-4”——N '-methylstilbazolium甲苯磺酸盐。更方便地称为DAST,材料被称为彩虹光子学的子公司商业化(同样位于苏黎世),销售DAST晶体太赫兹研究社区和产业。

DAST晶体生长从过饱和溶液中甲醇,种子晶体形成的溶液温度降低。对于大型、高质量的晶体,这一过程需要两个月。高质量的关键在于精确控制温度。的增长,尤其是温度控制,原则上是自动化的,但是偶尔检查,”施奈德说。的过程是可伸缩的,彩虹光子学是并行运行多个增长船只。”

施耐德索赔有几种使用电光晶体DAST等优势。首先,它可以产生太赫兹的带宽20太赫兹,比标准半导体能产生更广泛。更重要的是,由于光学和太赫兹波之间的相互作用,从DAST太赫兹光谱可以调到一定程度。使用DAST晶体使其容易出现的权力系统在不损坏材料。

DAST唯一的缺点是0.9和1.3太赫兹光谱之间的差距。我们组的化学家和材料科学家正在致力于化学修改,”施耐德说,为了获得一个更广泛的光谱膨胀剂。“我们有第一个令人鼓舞的结果,但工作仍在进行中,”他说。最终,这突显出开发一个有机系统的另一个原因是可调谐性。

纳米结构和超材料

现有的太赫兹探测设备为常规应用程序并不理想。他们低温冷却或腐烂的敏感性,而可怜的频率控制使得快速光谱成像困难。答案,根据Andrea Markelz布法罗大学,纽约,我们可以在III-V活跃的纳米结构——主要是基于砷化铟(ina)和砷化镓(砷化镓)。Markelz布法罗和她的同事乔纳森鸟是一个财团的一部分,最近获得了四年,120万美元在美国国家科学基金会的资助纳米跨学科研究团队(NIRT)倡议。

III-V纳米结构电荷限制在不同的能级,由适量励磁和排放与太赫兹范围相匹配。通过控制纳米结构的大小,不同的电压的设备,可以达到一个广泛的太赫兹的频率。更重要的是,由于探测器与标准电子很容易集成,伴随互联数组可以在单一晶片。

太赫兹调制技术一直落后于生产和检测的进步,但研究人员与超材料开始看到早期的成功。超材料的性质是由它们的化学和物理特性决定的。这些可以根据产生不寻常的电磁特性,如具有负折射率,无法获得的天然材料。

2006年11月,陈Hou-Tong来自新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室,我们,和他的同事们发表的细节材料设备能够实时控制和操作在室温下的太赫兹辐射。它是由一个数组的黄金、开口环电谐振器元素制造在半导体衬底(n型砷化镓种植在半绝缘性砷化镓晶片)。可以切换电材料的属性,从而可以改变太赫兹辐射的振幅高达50%,一个数量级比现有的调节器。

去市场

材料科学家报告令人鼓舞的进展在太赫兹功能组件,长期回报所有开发工作取决于成功的技术转让和产品创新。

TeraNova计划是这一努力的最前沿。四年的泛欧洲的合作开始于2004年9月,他跨越的控制行业,学术界和政府实验室,开发组件、基础科学,第一阶段的可行性和系统原型。

它希望将大大提高太赫兹安检技术,可以检测隐藏对象和区分金属和塑料。现在,TeraNova专注于生物分子的基本材料的光谱和安全利益以及太赫兹辐射的散射的影响粉末和衣服。张伯伦认为,获得正确的基本理解和遵循正确设计的安全系统。

在其他项目区域,TeraNova也意识到两个原型太赫兹系统准备进一步发展的行业。第一,太赫兹显微镜,是由保罗Planken和同事你在荷兰代尔夫特。目的是打开的属性材料,包括生活资料,在太赫兹频段。

设置采用磷化镓(GaP)晶体探测器的太赫兹辐射。除了入射太赫兹光束,水晶也与短脉冲的近红外光辐照。通过移动小费穿过样品,放在水晶的差距,他可以检查样品的小区域,”张伯伦说。“到目前为止,他已经实现了一个空间分辨率比10微米,并观察到真正的光谱特性。betway必威游戏下载大全

另一个值得注意的TeraNova突破是一个生物传感器,有可能承认基因突变。这项技术是由彼得·哈林和他的团队开创,韦伯就已经在席根大学的德国。由于太赫兹辐射敏感组分子的运动,它可以在DNA检测的运动基地他们摆动和扭转在太赫兹频段。如果有一个突变,由于混乱的碱基序列或者因为额外的化学物质,然后有些改变太赫兹吸收可以预期。这反过来又转化为生物芯片的谐振器的频率的变化。

TeraView TeraNova财团成员之间,英国制造商的太赫兹商业化的努力。TeraView失去东芝研究欧洲2001年4月由创始人迈克尔爵士胡椒和唐Arnone,剑桥大学的物理学家们。公司总部在剑桥大学和保持紧密联系,在太赫兹代结合专业知识,检测和操作的系统业务直接关注的新兴应用太赫兹技术。

有鉴于此,TeraView扫描仪的太赫兹成像系统可以配置固定光圈,更多的移动探测设备,或太赫兹光谱仪。

去年,TeraView显示在一个小试验,其技术可以用来评估期间怀疑乳腺组织切除手术。“我们发现太赫兹光确实能够区分正常乳腺组织,肿瘤原位甚至早期癌症切除组织样本,“TeraView的文森特·华莱士说曾与英国剑桥的艾登布鲁克医院学习。检查组织以这种方式提供了一种可靠的方法,以确保移除组织的边缘很明显的癌症,可能不再需要多次手术。切除组织通常是在病理学实验室检查,这可能需要数天,但太赫兹仪器,外科医生可以立即调查组织他们刚刚在手术室,团队建议。

其他研究人员已经证明,太赫兹系统可以检测违禁药物。Chi-Kuang太阳从台北国立台湾大学和他的同事们开发了一种太赫兹生物芯片,可以区分的痕迹粉可卡因,安非他命、马铃薯淀粉、面粉和乳糖在不到5秒钟。

TeraView也专注于太赫兹在制药行业中的应用。它希望太赫兹成像和光谱可以帮助改善药物的完整性和性能平板电脑和帮助新发现的多晶型物。更普遍的是,太赫兹扫描仪可以提供信息水化状态和有机和无机材料的结晶度。

所以看起来太赫兹技术已经。作为科学家微调化学半导体材料产生的太赫兹辐射检测和控制更精确,他们创造的设备已经为材料科学提供新的光谱方法。

乔·麦肯蒂是一位科技作家位于布里斯托尔英国