Vallankumous terahertsivalikoimassa: Uusia materiaaleja kompaktiin valoon!

Vallankumous terahertsivalikoimassa: Uusia materiaaleja kompaktiin valoon!

Kansainvälinen tutkimusprojekti, jota johtaa Josh Caldwell Vanderbiltin yliopistosta ja Aleksanteri Paarmann Fritz Haber Institute on tehnyt uraauurtavaa edistystä terahertsiteknologiassa. Yhteistyössä kanssa Prof. Lukas M. Eng Dresdenin teknisen yliopiston tutkijat osoittivat terahertsin (THz) valon puristamisen nanomittakaavaan.

Nature Materials -lehdessä 15. syyskuuta 2025 julkaistut tulokset osoittavat, kuinka hafniumdikalkogenidit (HfX2, jossa X = S tai Se) mahdollistavat merkittävän THz:n valon puristamisen. Yli 50 mikrometrin aallonpituudet pienennettiin alle 250 nanometriin, mikä johti minimaaliseen energiahäviöön. Tämä puristus on verrattavissa valtameren aaltojen sulkemiseen teekuppiin, mikä kuvaa tämän tekniikan laajuutta ja tehokkuutta.

Tutkimuksen painopisteessä

Haaste integroida THz-tekniikka kompakteihin laitteisiin johtuu THz-valon pitkästä aallonpituudesta. Vaikka perinteiset materiaalit ovat kamppailleet tehokkaasti kompressoidakseen valoa THz-alueella, uusi hafniumdikalkogenidikerrosmateriaali tarjoaa lupaavan ratkaisun. Tutkimuksen tavoitteena on tutkia valon ja aineen vuorovaikutusta nano-atomitasolla, jolla on kauaskantoisia vaikutuksia epälineaariseen optiikkaan.

Tutkimusryhmä käytti optista lähikenttämikroskooppia, joka on kehitetty yhteistyössä Dresdenin yliopiston ja Helmholtz Centerin Dresden-Rossendorfin kanssa. Yksi tärkeimmistä tavoitteista on kehittää erittäin kompakteja THz-resonaattoreita ja aaltoputkia, jotka voisivat mahdollisesti mullistaa 2D-materiaalien tutkimuksen integroimalla van der Waalsin heterorakenteisiin.

Sovellukset ja tekninen kehitys

Tämän tekniikan mahdolliset sovellukset ovat lupaavia, ja ne vaihtelevat optoelektronisten laitteiden, kuten infrapunasäteilijöiden, parannuksista terahertsioptiikkaan fyysistä turvallisuutta ja ympäristön tunnistamista varten. Erityisesti sopivien terahertsijärjestelmien valinnasta on tullut viime vuosina entistä tärkeämpää, koska aiemmin usein mainittua "terahertsiväliä" ei enää ole.

Teollisessa käytössä järjestelmät, kuten Terahertz TDS (Time Domain Spectroscopy) ja FMCW-tutkat (Frequency Modulated Continuous Wave) ovat perustavanlaatuisia. Lyhytpulssilaserien käyttö mahdollistaa tarkat aikamittaukset ja spektroskooppiset tutkimukset. Vertailun vuoksi FMCW-tutkat ovat pienempiä, halvempia ja tarjoavat korkeamman mittausnopeuden, vaikka niiden syvyysresoluutio on pienempi.

Muita tekniikoita, kuten ristikorrelaatiospektroskopiaa ja optista FMCW:tä, testataan parhaillaan, ja niistä voi pian tulla teollisuusvalmiita. Sopivimman menetelmän valinta tapahtuu aina tietyn sovelluksen yhteydessä, mikä korostaa THz-tekniikan joustavuutta. Uudet tutkimustulokset voisivat myös mahdollistaa korkean suorituskyvyn materiaaliseulonnan ja siten edistää tehokkaampien THz-tekniikoiden kehitystä.