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Fótons pegam carona com elétrons em sistema de alta eficiência Terahertz

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Ning Wang e Christopher Berry, estudantes de doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação, e Mohammad Reza Hashemi, um pesquisador de pós-doutorado no mesmo departamento. Foto cortesia de Mona JarrahiNing Wang e Christopher Berry, estudantes de doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação, e Mohammad Reza Hashemi, um pesquisador de pós-doutorado no mesmo departamento. Foto cortesia de Mona JarrahiANN ARBOR—A baixa energia da radiação Terahertz, também conhecida como radiação submilimeter, poderiam potencialmente habilitar médicos para ver profundamente os tecidos, sem os efeitos nocivos dos raios-x, ou permitir aos seguranças identificar os produtos químicos em um pacote sem ter que abri-lo. Mas tem sido difícil para engenheiros desenvolver um sistema poderoso o suficiente para realizar essas promissoras aplicações.

Agora, uma equipe de investigação da Escola de Engenharia Elétrica da Universidade de Michigan desenvolveu uma fonte terahertz com potência a laser e sistema de detecção que transmite uma potência 50 vezes maior e recebe sensibilidade 30 vezes maior do que as tecnologias existentes. Isso oferece um sistema de imagem e aplicações de sensoriamento 1.500 vezes mais poderosos. Um estudo sobre esta invenção está publicado na atual edição do Jornal Natureza das Comunicações (Nature Communications.)

"Com o nosso sistema terahertz de maior sensibilidade, você poderia ver os tecidos mais profundamente, ou sentir pequenas quantidades de drogas e explosivos de uma distância bem maior. É por isso que é importante, " disse a líder do projeto Mona Jarrahi, professora assistente de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação.

A equipe de pesquisa de Jarrahi chegou a esses resultados pelo afunilamento da luz laser para locais especificamente selecionados próximos aos eletrodos de dispositivos que alimentam a antena que transmite e recebe o sinal terahertz.

A abordagem deles permite que a luz pegue uma carona com os elétrons livres na superfície dos eletrodos metálicos para formar uma superfície de ondas chamadas de "ondas de plasmons de superfície." Com o acoplamento do feixe de luz com ondas de plasmons de superfície, os pesquisadores criaram um funil para difundir a luz em regiões de nanoescala próximas aos eletrodos de dispositivos.

As ágeis ondas de plasmons de superfície transportam fótons ópticos para onde eles precisam estar muito mais rápido e de uma forma muito mais eficiente, disse Jarrahi.

"Quando você deseja gerar ou detectar radiação terahertz, você tem que converter fótons para pares elétron-buraco e, em seguida, conduzi-los rapidamente para contactar os eletrodos de dispositivo. Qualquer atraso neste processo reduzirá a eficácia do dispositivo," disse Jarrahi. "Nós projetamos uma estrutura de modo que quando os fótons aterrizam, a maioria deles parece estar bem ao lado dos eletrodos de contato".

De acordo com Jarrahi, a potência de saída das fontes terahertz e a sensibilidade dos detectores terahertz podem ser aumentadas ainda mais, projetando funis ópticos com capacidade de foco mais justos.

"Esta é uma fantástica peça de engenharia, disse Ted Norris, professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. "Chega exatamente até o problema central em dispositivos fotocondutores terahertz, que estão coletando toda a carga. Desde que cada aplicação se beneficia do aumento da sensibilidade, como por exemplo o tempo reduzido de aquisição de dados ou o aumento da distância do suporte isolador, espero que esta abordagem seja implementada amplamente."

Norris, um especialista em tecnologia terahertz, é diretor do Centro para Nanomateriais Fotônica e Multiescala.

Os sistemas terahertz que são alimentados por lasers têm sido os mais bem sucedidos no mercado até agora, graças aos lasers de baixo custo, compactos e de alta potência disponíveis hoje. Apesar disso, outros pesquisadores estão usando diferentes abordagens para dar mais potência aos sistemas terahertz.

O estudo é chamado "Reforço de desempenho em Optoeletrônicos Fotocondutores Terahertz, incorporando Eletrodos Contato plasmônicos." Os autores são: Jarrahi; Christopher Berry e Ning Wang, estudantes de doutorado em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação; Mohammad Reza Hashemi e Mehmet Unlu, pesquisadores pós-doutorandos em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. A pesquisa foi financiada pelo Michigan Space Grant Consortium, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, pela Fundação Nacional de Ciência, pelo Escritório de Pesquisa Naval e pelo Escritório de Pesquisa do Exército.

Para obter mais informações: Mona Jarrahi: http://web.eecs.umich.edu/~mjarrahi/