La nueva teoría para la detección de ondas electromagnéticas de terahercios da esperanza para los avances en TI y medicina

La nueva teoría para la detección de ondas electromagnéticas de terahercios da esperanza para los avances en TI y medicinamet y Vvac son los fondos de las bandas de conducción en un metal y en el vacío; EF es la energía de Fermi de los electrones en el metal. ϕ=Vvac−EF>0 es la función de trabajo. (c) La dinámica del proceso de fotoexcitación: A la incidencia normal de la radiación, los electrones adquieren un momento px paralelo a la superficie, mientras que para escapar del material necesitan un componente de momento pz< /sub> perpendicular a la interfaz material-vacío (mostrado por la línea magenta gruesa). Los electrones pueden obtener el momento pz después de algunos eventos de dispersión en el metal o bajo la incidencia oblicua de la radiación. Crédito: Revisión física B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075411″ width=”644″ height=”530″/>

El efecto fotoeléctrico convencional (externo) en un medio conductor. (a) La geometría de un experimento típico. (b) La estructura de bandas y el proceso de absorción de fotones: Vpone y Vvacaciones son los fondos de las bandas de conducción en un metal y en el vacío; miF es la energía de Fermi de los electrones en el metal. ϕ=Vvacaciones−miF>0 es la función de trabajo. (c) La dinámica del proceso de fotoexcitación: con una incidencia normal de radiación, los electrones adquieren un momento pX paralelos a la superficie, mientras que para escapar del material necesitan una componente de momento pz perpendicular a la interfaz material-vacío (mostrada por la línea magenta gruesa). Los electrones pueden obtener el impulso pz después de algunos eventos de dispersión en el metal o bajo la incidencia oblicua de la radiación. Crédito: Revisión física B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075411

La detección de ondas electromagnéticas en el rango de frecuencia de terahercios sigue siendo un problema desafiante. Investigadores de la Universidad de Cambridge, junto con físicos de la Universidad de Augsburgo, han descubierto recientemente un nuevo efecto físico que podría cambiar eso. En un nuevo estudio, los científicos ahora están desarrollando una teoría que explica el mecanismo detrás de esto. Sus hallazgos hacen posible la construcción de detectores de terahercios pequeños, económicos y altamente sensibles. Estos podrían usarse, por ejemplo, en diagnósticos médicos, para controles de seguridad sin contacto o para una transmisión de datos inalámbrica más rápida. Los resultados de la nueva teoría han sido publicados en la revista Revisión física B.

Cuando los rayos X o los rayos UV caen sobre una superficie metálica, eliminan electrones del material. Este “efecto fotoeléctrico” puede formar la base de detectores que detectan la presencia de ondas electromagnéticas.

En una forma ligeramente modificada, se utiliza un efecto similar en los chips de grabación de cámaras digitales o en células solares. Estos reaccionan a visibles y luz infrarroja. Sin embargo, su energía es significativamente menor que la de la radiación UV y, por lo tanto, es insuficiente para liberar electrones del material. En cambio, la radiación puede cambiar las propiedades eléctricas de las estructuras semiconductoras, que suelen ser malas conductoras. Cuando se exponen a la luz, por otro lado, se vuelven conductores o incluso pueden generar voltajes.

la energía de radiación de terahercios es incluso menor que la de la luz visible o infrarroja. La radiación de THz generalmente no proporciona suficiente energía ni siquiera para excitar electrones en semiconductores. Actualmente existen varios tipos de detectores de radiación de terahercios, pero aún se requieren detectores de THz más eficientes, baratos y compactos. Por lo tanto, los investigadores continúan buscando principios físicos alternativos para detectar la radiación de terahercios.

“Recientemente, junto con colegas del Reino Unido, hemos descubierto un nuevo efecto físico que permite la construcción de detectores altamente sensibles”, explica el Dr. Sergey Mikhailov del Instituto de Física de la Universidad de Augsburgo. “Se basa en materiales semiconductores con un gas de electrones bidimensional, una capa conductora delgada que se forma debajo de la superficie del semiconductor. Bajo ciertas condiciones, se puede observar un tipo de efecto fotoeléctrico incluso a frecuencias de terahercios en dicha estructura. Cuando este semiconductor La estructura está iluminada por ondas electromagnéticasse genera una corriente en el gas de electrones bidimensional en una dirección paralela a la superficie del semiconductor”.

En su trabajo actual, los investigadores han desarrollado una teoría de este “en el plano efecto fotoeléctrico“que explica el mecanismo con mayor detalle. Se pueden derivar varias predicciones a partir de sus resultados. Por ejemplo, en función del efecto, debería ser posible construir detectores que sean sensibles a todo el rango de terahercios (radiación con frecuencias entre 0,1 y 10 terahercios o con longitudes de onda entre 3 y 0,03 milímetros). “Esta es un área donde cualquier nuevo mecanismo de detección es de gran valor”, dice Mikhailov. Teóricamente, también debería ser posible construir detectores que respondan a intensidades de radiación muy bajas.

Estos podrían ser utilizados en diversas aplicaciones. Por ejemplo, las células de cáncer de piel podrían detectarse fácilmente usando radiación de terahercios. Dichos detectores también podrían usarse para encontrar las cantidades más pequeñas de drogas o material explosivo en los puntos de control de seguridad. Además, las ondas de terahercios oscilan adelante y atrás más rápido que las radiación electromagnética utilizado actualmente en las comunicaciones móviles. Por esta razón, pueden transmitir mucha más información en la misma cantidad de tiempo. Por lo tanto, los nuevos detectores podrían aumentar la velocidad de Internet móvil.


Un paso más cerca de hacer que la tecnología de terahercios sea utilizable en el mundo real


Más información:
SA Mikhailov et al, Teoría del efecto fotoeléctrico en el plano en sistemas de electrones bidimensionales, Revisión física B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075411

Proporcionado por la Universität Augsburg

Cotizar: Nueva teoría para la detección de ondas electromagnéticas de terahercios da esperanza de avances en TI y medicina (2 de septiembre de 2022) recuperado el 2 de septiembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-theory-terahertz-electromagnetic-advances- medicina.html

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