Российские и белорусские физики предложили способ, как освоить труднодоступный диапазон на электромагнитном спектре. Ученые выяснили, что лазеры на основе кадмия, ртути и теллура могут быть источником электромагнитного излучения в диапазоне 6–10 ТГц, который называют терагерцовой щелью. Обычные лазеры не способны на это из-за слишком сильного поглощения излучения. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Фото: Александр Долгов
Фото: Александр Долгов
Терагерцовые волны — электромагнитные волны в диапазоне между инфракрасным и микроволновым излучением. Их изучение началось еще в 1960-х годах и продолжается до сих пор — этот диапазон считается одним из самых перспективных из-за своей безопасности по сравнению с рентгеновскими лучами. Терагерцовые волны используют в томографии, при сканировании вещей в аэропортах, контроле качества пищевой продукции.
Создание квантово-каскадных лазеров позволило существенно перекрыть диапазон от 1 ТГц до 30 ТГц. В этих устройствах излучение происходит при переходе электронов между слоями полупроводника, а не как в обычных лазерах — путем комбинации положительно заряженных пустот (дырок) и электронов. Однако диапазон 6–10 ТГц, именуемый в научной литературе как GaAs-Reststrahlen band (терагерцовая щель), так и остался неосвоенным из-за сильного поглощения излучения при использовании традиционных полупроводников для лазеров, например арсенида галлия (GaAs). Соединения на основе ртути, кадмия и теллура (HgCdTe) имеют низкие по сравнению с остальными соединениями частоты фононов (около 4 ТГц) — квантов электромагнитного поля. Это позволит в разы уменьшить величину поглощения излучения и тем самым освоить терагерцовую щель 6–10 ТГц.
Физики провели моделирование, используя HgCdTe в качестве материала для активной (испускающей) области квантово-каскадного лазера. Традиционно HgCdTe широко применяется для создания приемников и приемных матриц среднего инфракрасного диапазона. Однако в последние годы появились возможности для разработки более сложных структур.
По мнению авторов статьи, одним из преимуществ HgCdTe является маленькая эффективная масса электронов, что позволяет получать более высокую производительность этих источников по сравнению с приборами на основе GaAs. В результате ученые исследовали несколько вариаций квантово-каскадного лазера с локализированными волновыми функциями и большими матричными элементами переходов. Предложенная новая схема лазерных переходов может быть использована для увеличения рабочей температуры в лазерах на основе традиционных материалов из химических элементов III-V групп таблицы Менделеева.
«Хочу отметить, что целенаправленное воздействие излучения с частотой 6–10 ТГц на вещество может вызывать колебания отдельных элементов в кристаллической решетке и изменять межатомные расстояния в кристалле. Подобные эффекты наблюдались в сверхпроводниках, где после облучения кристалла удавалось повысить сверхпроводящие характеристики. Также станет возможной разработка новых методов терагерцовой спектроскопии. Кроме того, в этом же диапазоне находятся линии поглощения молекул ДНК и РНК. Мы считаем, что освоение терагерцовой щели поможет в борьбе с РНК-вирусами, одним из представителей которых является COVID-19. Новые методы позволят более точно диагностировать вирус у пациента, а также детальнее изучить РНК-вирусы для последующего создания эффективных препаратов»,— рассказывает один из авторов статьи Рустам Хабибуллин, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова РАН.
Использованы материалы статьи HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation method; Dmitrii Ushakov, Alexander Afonenko, Rustam Khabibullin, Dmitry Ponomarev, Vladimir Aleshkin, Sergey Morozov, Alexander Dubinov; журнал Optical Express, август 2020 г.