Цивилизация
Российские ученые повысили чувствительность детектора терагерцового излучения, искусственно деформировав его структуру. На основе такого устройства можно разработать новые системы терагерцовой спектроскопии высокого разрешения, позволяющие проводить быстрый и неразрушающий анализ вещества. Также оно может лечь в основу новейших разработок в области персонализированной медицины и связи 5,5 и 6G. Статья опубликована в престижном научном журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. Исследования поддержаны грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Терагерцовое излучение — один из видов электромагнитного излучения, спектр частот которого находится между инфракрасным и микроволновым. В этот диапазон попадают спектры излучения астрономических объектов, сложных органических молекул, например белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, соединений-загрязнителей атмосферы. Оно позволяет «просвечивать» предметы, как и рентгеновское, но в отличие от него безвредно для человеческого организма. Это позволяет применять его в медицине, материаловедении, для создания систем безопасности и поиска запрещенных предметов в аэропортах и на вокзалах, а также для контроля качества медикаментов и продуктов питания, экологического мониторинга, высокоскоростной связи. Однако мощность сигнала этого диапазона очень сильно понижается при прохождении через проводящие среды, такие как влажный воздух или ткани тела человека. Поэтому исследователи разрабатывают источники терагерцового излучения, которые обладали бы достаточной мощностью, чтобы сигнал не затухал слишком быстро, а также чувствительные приемники, способные его распознавать.
Терагерцовое излучение можно регистрировать, воздействуя на полупроводник ультракороткими лазерными импульсами и фиксируя изменения его фотопроводимости — способности проводить электричество при поглощении электромагнитного излучения. На этом эффекте основан принцип действия оптико-терагерцовых преобразователей, которые часто используются в современных системах спектроскопии и визуализации объектов и работают с недорогими и коммерчески доступными инфракрасными лазерами. Слабое место таких устройств — эффективность преобразования терагерцового сигнала. Этот показатель во многом зависит от электронных свойств полупроводника, на основе которого он изготовлен. Специалисты пробуют разные подходы, чтобы улучшить характеристики преобразователя для детектирования терагерцового излучения.
Ученые из Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН (Москва), Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) и МГТУ имени Н. Э. Баумана (Москва) повысили чувствительность детектора, внеся в решетку полупроводника упругие деформации. Они попеременно наносили на изолирующую пластину тончайшие слои двух сплавов, один из которых состоял из индия, галлия и мышьяка, а во втором вместо галлия был взят алюминий. Эти системы, похожие между собой, но не идентичные, образовали единую структуру — сверхрешетку. За счет пониженного содержания индия в одном из сплавов возникли деформации (напряжения), которые позволили управлять параметрами полупроводника. За счет этого структура стала лучше реагировать на сигнал.
Физики проверили эффективность нового устройства в экспериментах. Они подтвердили, что преобразователи на основе напряженной сверхрешетки могут работать с сигналом как высокой, так и относительно низкой частоты, и успешно отделяют его от помех и искажений. По сравнению с аналогичными характеристиками для оптико-терагерцовых преобразователей на основе не напряженной сверхрешетки, созданные детекторы имеют высокую эффективность.
«На сегодняшний день в России не существует компаний, которые занимаются созданием отечественных терагерцовых преобразователей, использующих эффект фотопроводимости. При этом спрос на компактные и недорогие системы построения изображений в терагерцовом диапазоне на основе таких преобразователей постоянно растет. Поэтому создать полностью отечественную элементную базу терагерцового диапазона важно и с чисто практической точки зрения. Эти разработки могут найти применение во многих социально-значимых областях, от нужд персонализированной медицины до систем терагерцовой связи нового поколения 5,5 и 6G. Наша разработка — важный шаг в этом направлении», — рассказал Дмитрий Пономарев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИОФ РАН, заместитель директора по научной работе ИСВЧПЭ РАН.
