Излучение субмиллиметрового, или терагерцевого диапазона обладает полезными свойствами, которые в будущем можно использовать для неразрушающего контроля материалов, а также в медицине и системах безопасности. Однако детекторов и источников именно в этом диапазоне пока очень мало, и для их изготовления необходимо разрабатывать специальные материалы. Физики из Кембриджского университета (University of Cambridge) обнаружили необычно сильный отклик системы с двумерным электронным газом на терагерцевое излучение. Отклик был аналогичен обычному фотоэффекту. Новый эффект может лечь в основу разработки новых типов детекторов терагерцевого диапазона.
Волны терагерцовых частот находятся на спектральной шкале между микроволновым и инфракрасным излучением. Частоте 1,9 ТГц, или 1,9 x 1012 Гц (на этой частоте как раз удалось зафиксировать новый «аномальный фотоэффект») соответствует длина волны излучения 0,15 мм. На сегодня приборов, работающих именно с такими волнами, то есть в субмиллиметровом диапазоне, и чувствительных источников такого излучения почти нет. Поэтому терагерцевая область спектра практически не исследована — физики даже используют для этого термин «терагерцевая щель», или «терагерцевый провал» (terahertz gap). Этот диапазон очень интересен с точки зрения практического применения. Прежде всего эти волны безвредны, в отличие от излучения рентгеновской установки — энергия квантов на таких частотах слишком мала; в то же время волны обладают достаточной проникающей способностью по сравнению с радиочастотным диапазоном. Если удастся разработать функциональные электронные приборы терагерцевого диапазона, их можно будет использовать для неразрушающего анализа материалов или для медицинской диагностики.
Например, терагерцевые волны позволят «просвечивать» и выявлять поражённые раком ткани. Другое возможное применение — в устройствах безопасности. На досмотре в аэропортах сканеры в этом диапазоне позволят отличать обычные медицинские препараты в багаже от наркотических или взрывчатых веществ. Также терагерцевые волны можно будет использовать в каналах передачи информации, обеспечив более высокую пропускную способность беспроводного канала по сравнению с современными беспроводными технологиями. Однако несложно заметить, что именно такие в теории замечательные свойства терагерцового излучения делают его почти прозрачным для детекторов из обычных материалов: если излучение почти никак не взаимодействует с веществом, в частности, безвредно для распространённых полупроводниковых материалов и биологической ткани, то и зафиксировать его особо нечем. Поэтому решение проблемы с детекторами терагерцового излучения лежит в разработке искусственных материалов с нужными свойствами, в природе не встречающихся, то есть метаматериалов.
В 2002 году физики из Кембриджа впервые продемонстрировали действие лазера на терагерцевых частотах, или лазера с квантовым каскадом. С тех пор группа проводит исследования в области физики и технологии терагерцового излучения. Для работы в этом диапазоне сейчас разрабатываются электронные приборы на основе метаматериалов, которые можно было бы использовать как в качестве детекторов излучения, так и модуляторов, то есть источников колебаний в этом диапазоне.
Работая над новым типом детектора терагерцовых волн, исследователи зафиксировали необычное усиление сигнала на частоте 1,9 ТГц при облучении сложной полупроводниковой структуры на основе арсенида галлия, в которой электронный газ ведёт себя как в двумерной кристаллической решётке. Отклик в виде сигнала от такого материала при облучении оказался на порядок сильнее, чем ожидалось в теории. Предложенное объяснение предполагает, что речь идёт о необычном проявлении фотоэффекта, который может реализоваться только в двумерной кристаллической решётке.
Фотоэффект — это высвобождение электрона из проводящего материала (металла или полупроводника) под действием фотонов падающего излучения. В трёхмерной решётке для выбивания электрона из кристаллической решётки в вакуум требуется энергия, которой обладают фотоны в ультрафиолетовой или рентгеновской области. Можно вызвать фотоэффект и при помощи фотонов меньшей энергии, то есть с длинами волн в видимом или даже ближнем инфракрасном диапазоне, но в этом случае электрон можно выбить из проводящего материала не в вакуум, а в среду-диалектрик. Само явление под разными названиями известно ещё с первой половины XIX века. Его теоретическое объяснение с использованием понятия о квантах излучения — фотонах предложил Альберт Эйнштейн в 10-е годы XX века. Оно стало одним из оснований современной квантовой теории, которую с несущественными изменениями используют и в наше время. Сам фотоэффект давно применяется на практике — например, это основной механизм, на котором работают цифровые камеры и солнечные батареи. Кстати, Эйнштейн в 1921 году получил Нобелевскую премию не за «труд жизни», то есть специальную и общую теорию относительности, как можно было бы предположить, а «всего лишь» за теорию фотоэффекта.
Но необычные новые результаты получились именно при терагерцовом излучении. На таких частотах энергия электромагнитного кванта очень мала и «обычный» фотоэффект невозможен. Энергия фотона пропорциональна его частоте (E = hν, где ν — частота в герцах); для терагерцевых волн эта энергия гораздо ниже, чем требуется даже для возбуждения электрона в атоме. Так, терагерцевые кванты имеют энергию несколько миллиэлектронвольт. Скажем, величина энергетической щели в диэлектриках, соответственно, энергия для выбивания электрона из такого материала, измеряется электронвольтами, то есть больше на три порядка. Фотовозбуждение на таких длинных волнах оказалось возможным, но для проводящего двухмерного электронного газа. Такие структуры могут реализовываться в двумерных материалах, то есть в веществах, изготовленных в виде монослоя атомов на подложке; самый известный в последние годы пример такого материала — графен.
Новое явление авторы назвали фотоэлектрическим эффектом в плоскости. Величина фотоотклика в этом механизме при падении терагерцового излучения значительно превышает ожидаемые значения при других известных механизмах взаимодействия с излучением этого диапазона. В статье в Scientific Advances, кроме описания эффекта, излагается теория явления. Если его удастся использовать для разработки электронных компонент, это поможет изготавливать терагерцевые детекторы излучения со значительно более высокой чувствительностью и наконец заполнить «терагерцовую щель».