Физики создали источник терагерцовых волн с рекордно широким спектром
Физики из Германии разработали новый источник терагерцового излучения. Ширина спектра его импульсов превосходит аналогичный параметр самого популярного фотопроводящего излучателя из арсенида галлия на порядок. Кроме того, новый источник должен стать дешевле предыдущих — для его работы больше не требуется высокоинтенсивный дорогой лазер. Работа ученых опубликована в журнале Nature Light: Science & Applications.
Диапазон терагерцового электромагнитного излучения (3×1011—3×1012 Гц) располагается в своего рода «темной» области между диапазонами хорошо изученных микроволновых и инфракрасных волн. В английском этот диапазон называют терагерцовым пробелом (terahertz gap), указывая на слабое развитие технологий излучения и манипуляции волн терагерцовых частот. В отличие от соседей по спектру, генерация терагерцового излучения и сегодня остается сложным и дорогим процессом.
Т-лучи (второе название терагерцовых волн) с легкостью проникают во многие материалы, и, в отличие от рентгеновских лучей, безвредны из-за отсутствия ионизирующих свойств. Поэтому, например, в медицине активно используются терагерцовые томографы, позволяющие исследовать верхние слои тела человека (кожу, сосуды и мышцы). Т-лучи используют для сканирования людей и багажа в аэропортах, а также для контроля качества различных материалов в промышленности.
Существуют и сугубо научные применения терагерцового излучения. Помимо терагерцовой спектроскопии с помощью Т-лучей также можно ускорять заряженные частицы. Теоретически, при помощи терагерцового ускорителя можно достигать энергий порядка гигаэлектронвольт на сантиметр, что значительно превышает энергии, получаемые на современных ускорителях.
Один из самых популярных методов генерации Т-лучей — облучение кристалла арсенида галлия короткими лазерными импульсами. При облучении кристалла, в нем появляются заряды, которые ускоряют приложенным к кристаллу потенциалом. Ускоренные заряды и производят терагерцовое излучение. Такой метод имеет два важных недостатка: для него подходят только специальные высокоинтенсивные дорогостоящие лазеры, а максимально возможная ширина спектра составляет всего 7 терагерц.
Группа исследователей во главе с Абхишеком Сингхом (Abhishek Singh) из Научного центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф справилась с двумя проблемами сразу. Свой излучатель они изготовили из германия — этот материал позволяет получать на порядок более широкий спектр излучения (70 терагерц) и способен работать с дешевым волоконным лазером. Но чистый германий плохо выполняет свою работу — после облучения лазером должно пройти несколько микросекунд, прежде чем исчезнут индуцированные заряды, что слишком долго, следующий лазерный импульс придет гораздо быстрее.
Для решения этой проблемы ученые имплантировали небольшое количество золота в свой германиевый источник. С помощью ионного ускорителя они обстреляли антенну атомами золота. Таким способом золото проникает внутрь германиевого источника на глубину в 100 нанометров. Для равномерного распределения атомов по германиевому кристаллу его на несколько часов разогрели до температуры в 900 градусов Цельсия.
Усовершенствованный вариант антенны справился с задачей по устранению зарядов гораздо лучше. В германии с примесями золота заряды нейтрализуются менее чем за две наносекунды — в тысячу раз быстрее, чем без примесей. Таким образом физики добились значительного уменьшения временных промежутков между импульсами.
Новый источник позволяет получать импульсы с очень широким и при этом непрерывным спектром. Такие характеристики делают его универсальным устройством, уверены ученые. В отличие от арсенида галлия, германий совместим с кремнием, а значит новый источник гипотетически может стать частью КМОП-микросхем.
Не так давно физики зарегистрировали терагерцовое излучение воды и сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения.
Олег Макаров
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».