Terahertzové záření leží mezi mikrovlnami a infračerveným světlem. Právě tato oblast elektromagnetického spektra je mimořádně zajímavá pro bezpečnostní skenery, biomedicínu, astronomii, kontrolu kvality ve výrobě i budoucí bezdrátové sítě. Má to však jeden háček. Terahertzové vlny se špatně detekují. Současné přístroje často potřebují složité optické soustavy, extrémní chlazení nebo nabízejí příliš nízkou citlivost.

Tým Ruqiao Xia, Matthewa Tana, Harveyho E. Beerea, Jonathana P. Griffithse, Davida A. Ritchieho a Wladislawa Michailowa popsal v časopise Advanced Photonics nový typ detektoru, který tento problém výrazně zmenšuje. Studie „Quantum metasurface-based photoelectric tunable-step terahertz detector“ ukazuje zařízení založené na spojení kvantového jevu a speciálně navrženého metapovrchu. Výsledek je zhruba dvacetkrát vyšší citlivost než u dřívějších detektorů PETS.

Metapovrch soustředí záření tam, kde vzniká signál

Detektor využívá takzvaný in-plane photoelectric effect. Terahertzové fotony předávají energii elektronům ve dvourozměrném elektronovém plynu. Elektrony pak překonají uměle vytvořený potenciálový schod a vznikne měřitelný elektrický proud.

Starší konstrukce podobných detektorů doplácely na to, že zachytily jen malou část dopadajícího záření. Nový návrh proto používá metapovrch s opakující se „cihlovou“ strukturou, která soustředí elektromagnetické pole do úzkých mezer. Právě do nich výzkumníci umístili aktivní detekční prvky. Každá mezera funguje jako malý detektor a jejich společný výstup dává mnohem silnější signál.

Výkon ukazuje, proč je objev důležitý

Při testech byl detektor ochlazen na 10 kelvinů a pracoval se zářením kolem 1,9 THz. Dosáhl responsivity 2,7 ampéru na watt a externí kvantové účinnosti 2,1 procenta. Důležité je také to, že zařízení pracuje bez source-drain předpětí. Nevzniká tak temný proud, který u citlivých detektorů často zvyšuje šum.

Nejde ještě o hotový produkt pro běžné použití. Stále jde o laboratorní demonstraci a nízká provozní teplota je praktické omezení. Přesto je výsledek zajímavý. Ukazuje, že sběr terahertzového záření a samotná kvantová detekce mohou být integrovány přímo v jednom plochém čipu bez složitých externích čoček.