Создан гиперболический материал для терагерцового излучения

Создан гиперболический материал для терагерцового излучения

Группа ученых из Университета ИТМО и РГПУ им. Герцена создала композитный слоистый материал на основе висмута. В дальнейшем такие структуры можно будет применять в медицине, биосенсорике и системах связи в качестве сверхчувствительного датчика терагерцового излучения. Результаты работы опубликованы в журнале Rapid Research Letters.

Терагерцовое электромагнитное излучение находится в диапазоне частот между инфракрасным и сверхвысокочастотным излучением (СВЧ). Оно уже сейчас используется в спектроскопическом анализе, в медицине, а также системах безопасности в качестве безвредной альтернативы рентгеновскому излучению. Однако существует проблема в приборной базе: отсутствуют доступные и эффективные устройства для детектирования. С начала XXI века продолжаются бурные исследования в этой области.

Большинство предлагаемых терагерцовых датчиков либо обладают высокой скоростью отклика, но имеют низкую чувствительность, либо высокочувствительный, но медленно реагируют. Перед учеными стоит задача создать прибор с тонким балансом между этими характеристиками. На сегодняшний день одними из самых перспективных являются материалы на основе висмута. По своим свойствам эти материалы находятся между проводниками и полупроводниками, т.е. относятся к полуметаллам. При этом они обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, что очень важно для детекторов терагерцового диапазона частот.  

Более того, теоретики предсказали, что материалы на основе висмута могут обладать свойствами гиперболической среды именно в терагерцовом диапазоне. Гиперболическими называют сильно анизотропные оптические материалы, которые обладают рядом уникальных свойств, одним из которых является отрицательное преломление. 

Как следует из названия, электромагнитные волны имеют электрическую составляющую и магнитную. Степень взаимодействия такой волны с электронами вещества характеризуется двумя характеристиками: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. С показателем преломления n эти величины связаны простым соотношением n=√εμ. У всех обычных веществ перед корнем стоит плюс, а у гиперболических — минус. 

Ученые с помощью метода термического напыления вырастили кристаллическую структуру из висмута на диэлектрической (не проводящей ток) слюдяной подложки. Толщина висмутового слоя составляет при этом от десятков до сотен нанометров, а подложки из слюды 17 микрон, что более, чем в 5 раз тоньше человеческого волоса.

Физики исследовали оптические свойства этого материала и обнаружили, что терагерцовое излучение проходит быстрее через слюду и висмут, чем через воздух. Временная задержка при прохождении импульсов оказалась отрицательной. Другими словами эта двухслойная система обладает свойствами гиперболической среды. 

Передовая разработка станет основой для  нового быстродействующего и высокочувствительного детектора терагерцового излучения, который сможет заменить существующие болометры и фотонные приемники. Этот материал также можно будет использовать в зондировании, биосенсорике, а также как маскировочное покрытие, способное скрыть объект от терагерцового радара.

Автор: Альберт Ахмадеев

Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: