Сегодня терагерцовое излучение используется в биомедицине, в системах безопасности для сканирования багажа и людей, при контроле производственных процессов. В журнале Nature Nanotechnology представлен совершенно новый подход к генерации высокочастотного излучения.

Сейчас для генерации излучения в терагерцовом диапазоне используется громоздкое и дорогое оборудование, например линейные ускорители и циклотроны. Более простой способ заключается в «косвенной» генерации: сначала генерируется излучение других диапазонов электромагнитного спектра, а затем оно преобразуется в терагерцовое. Этот подход может быть реализован с использованием сверхбыстрых фотоиндуцированных токов в полупроводниках или смещением разностной частоты в нелинейных кристаллах {Прим. ред.: для читателей-неспециалистов просьба – не пытаться понять эту фразу}. В зависимости от свойств возбуждающего лазера производится широкополосное или одночастотное терагерцовое излучение. Однако обычно используемые лазерные системы производят только сотни нановатт терагерцовой мощности или меньше.

Рис. 1. а) ПЭМ изображение микросфер, синтезированных в течение 3 часов (а) и 10 часов (b). с) увеличенное изображение поверхности микросферы; d) схематическое изображение нанокантилевера с толщиной 15 нм.

В журнале Nature Nanotechnology показали совершенно новый подход к генерации высокочастотного излучения. Для этого авторами были синтезированы в гидротермальных условиях массивы со структурой ядро-оболочка, состоящие из гексагональных нанопластинок ZnO. Самосборка агрегатов происходит в полярном растворе полимера, при этом оболочка состоит из нанокантилеверов, радиально выстроенных вокруг ядра. Каждый кантилевер покрыт заряженным полимером. Для возбуждения механического резонанса в подобных пьезоэлектрических структурах оксида цинка использовался лазер, работающий в видимых длинах волн. Ускорение и замедление зарядов в структурах поочередно вызывает терагерцовое излучение {Прим. ред.: дл посвященных читателей просьба не читать эту фразу про фотонанобарабаны}.

Рис. 2. Экспериментальная схема для измерения терагерцового излучения.

Освещение агрегатов зеленым лазером создает механические колебания вдоль нанопластин с частотой, определяемой их толщиной и модулем упругости. Близкий контакт между нанопластинками внутри агрегата и между соседними агрегатами приводит к тому, что эти колебания когерентно связываются друг с другом. Таким образом, несмотря на разные размеры массивов, модулируется одна резонансная частота, причём в терагерцовой области.

По полученным данным процесс конверсии «зеленых» фотонов в терагерцовые очень эффективен. Выход конверсии фотонов составляет более 33%. Из-за сильного отличия энергии зеленых и терагерцевых фотонов выход конверсии мощности намного меньше и составляет 0.016%. Но этого все равно достаточно для генерации существенной мощности: команда наблюдала испускание непрерывного терагерцевого излучения мощностью несколько микроватт при освещении зеленым лазерным светом с мощностью в десятки милливатт.

Рис. 3. Колебательные спектры микросфер, приготовленных в течение разного времени (2.5, 3, 5, 7 и 10 часов). Спектры сняты при действии аргонового ионного лазера с длиной волны 514.5 нм.

Данные устройства весьма конкурентноспособны с существующими непрерывноволновыми источниками, такими как полупроводниковые фотосмесители, которые требуют двухцветный возбуждающий лазер. Кроме того, одностадийный процесс синтеза значительно упрощает их масштабное производство для промышленного применения.

Результаты исследований опубликованы в статье:

X. L. Wu, S. J. Xiong, Z. Liu, J. Chen, J. C. Shen, T. H. Li, P. H. Wu & Paul K. Chu Green light stimulates terahertz emission from mesocrystal microspheres. – Nature Nanotechnology. – 2011. – V.6. – P. 103–106; doi:10.1038/nnano.2010.264; Published online 16 January 2011.