Revolutie in het terahertz-assortiment: nieuwe materialen voor compact licht!

Revolutie in het terahertz-assortiment: nieuwe materialen voor compact licht!

Een internationaal onderzoeksproject onder leiding van Josh Caldwell van de Vanderbilt Universiteit en Alexander Paarman van het Fritz Haber Instituut heeft baanbrekende vooruitgang geboekt in de terahertz-technologie. In samenwerking met Prof. Lukas M. Eng van de Technische Universiteit van Dresden hebben onderzoekers de compressie van terahertz (THz) licht tot nanoschaaldimensies aangetoond.

De resultaten, gepubliceerd op 15 september 2025 in het tijdschrift Nature Materials, laten zien hoe hafniumdichalcogeniden (HfX2, waarbij X = S of Se) een aanzienlijke compressie van THz-licht mogelijk maken. Golflengten van ruim 50 micrometer werden teruggebracht tot minder dan 250 nanometer, wat resulteerde in minimaal energieverlies. Deze compressie is vergelijkbaar met het opsluiten van oceaangolven in een theekopje, wat de schaal en efficiëntie van deze technologie illustreert.

In de focus van onderzoek

De uitdaging bij het integreren van THz-technologie in compacte apparaten komt voort uit de lange golflengte van THz-licht. Terwijl traditionele materialen moeite hebben om licht in het THz-bereik effectief te comprimeren, biedt het nieuwe gelaagde materiaal met hafniumdichalcogenide een veelbelovende oplossing. Het onderzoek heeft tot doel de interactie van licht en materie op nano- en atomair niveau te bestuderen, wat verstrekkende gevolgen heeft voor niet-lineaire optica.

Het onderzoeksteam maakte gebruik van de optische nabijveldmicroscoop, die werd ontwikkeld in samenwerking tussen de TU Dresden en het Helmholtz Center Dresden-Rossendorf. Een van de belangrijkste bedoelingen is om ultracompacte THz-resonatoren en golfgeleiders te ontwikkelen die mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in het onderzoek met 2D-materialen door integratie in Van der Waals-heterostructuren.

Toepassingen en technische ontwikkelingen

De potentiële toepassingen van deze technologie zijn veelbelovend, variërend van verbeteringen in opto-elektronische apparaten zoals infraroodzenders tot terahertz-optiek voor fysieke veiligheid en omgevingsdetectie. Met name de selectie van geschikte terahertz-systemen is de afgelopen jaren belangrijker geworden omdat de eerder vaak genoemde ‘terahertz-kloof’ niet meer bestaat.

Bij industrieel gebruik zijn systemen zoals Terahertz TDS (Time Domain Spectroscopie) en FMCW-radars (Frequency Modulated Continuous Wave) van fundamenteel belang. Het gebruik van kortepulslasers maakt nauwkeurige tijdmetingen en spectroscopisch onderzoek mogelijk. Ter vergelijking: FMCW-radars zijn kleiner, goedkoper en bieden hogere meetsnelheden, hoewel hun diepteresolutie lager is.

Aanvullende technieken zoals kruiscorrelatiespectroscopie en optische FMCW worden momenteel getest en kunnen binnenkort industrieel gereed zijn. De selectie van de meest geschikte methode vindt altijd plaats in de context van de specifieke toepassing, wat de flexibiliteit van THz-technologie onderstreept. De nieuwe onderzoeksresultaten zouden ook materiaalscreening met hoge doorvoer mogelijk kunnen maken en zo de ontwikkeling van efficiëntere THz-technologieën kunnen bevorderen.