يعزز اختراق السطح الكمي تيراهيرتز الكشف بمقدار 20 مرة، مما يجعل تقنية T هرتز العملية أقرب خطوة.
يعد اكتشاف الضوء والإشعاع أمرًا ضروريًا عبر الطيف الكهرومغناطيسي، لكن لا يزال من الصعب العمل مع بعض المناطق. أحد أكبر التحديات يتعلق بإشعاع تيراهيرتز (THz)، الذي يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء. غالبًا ما تكون أجهزة الكشف الحالية لهذه الترددات بطيئة، أو تفتقر إلى الحساسية، أو تعتمد على أنظمة كبيرة ومكلفة قد تتطلب تبريدًا شديدًا، مما يحد من استخدامها العملي.
طور الباحثون الآن كاشفًا جديدًا مدمجًا يجمع بين فيزياء الكم وسطحًا فوقيًا مصممًا خصيصًا، مما يحسن بشكل كبير القدرة على التقاط وقياس إشعاع تيراهيرتز. العمل، ذكرت في الضوئيات المتقدمةيمكن أن يساعد في تطوير تقنيات تتراوح من الاتصالات اللاسلكية إلى التصوير الطبي وعلم الفلك.
فيزياء الكم تجتمع مع تصميم الأسطح الخارقة
ويعتمد الجهاز على ظاهرة تعرف باسم التأثير الكهروضوئي داخل الطائرة. في هذه العملية الكمومية، تقوم فوتونات تيراهيرتز الواردة بنقل الطاقة إلى الإلكترونات المحصورة داخل غاز إلكترون ثنائي الأبعاد. تعبر هذه الإلكترونات النشطة خطوة محتملة مصممة بعناية، وتولد تيارًا كهربائيًا يمكن قياسه.
وعلى عكس أجهزة الكشف الكهروضوئية التقليدية، لا تتطلب هذه الآلية أن تتجاوز الفوتونات الحد الأدنى من الطاقة. ونظرًا لأن العملية تحدث بالكامل داخل مستوى المادة، فإنها تتجنب أيضًا العديد من قيود الكفاءة التي تؤثر على تصميمات الكاشف التقليدية.
أظهرت الكواشف السابقة التي استخدمت هذا المفهوم أداءً واعدًا، لكنها عانت من عيب رئيسي واحد. لقد التقطوا جزءًا صغيرًا فقط من الإشعاع الوارد لأنهم اعتمدوا على هياكل ذات هوائي واحد.
وللتغلب على هذا القيد، قام فريق البحث ببناء كاشف جديد حول سطح خارق. يقوم هذا الهيكل المنقوش بتركيز الطاقة الكهرومغناطيسية في مناطق أصغر بكثير من الطول الموجي للإشعاع الوارد. في التصميم الجديد، يجمع نمط “الطوب” المتكرر موجات تيراهيرتز ويوجهها إلى فجوات ضيقة حيث يتم الكشف.
التقاط المزيد من إشعاع تيراهيرتز
تعمل كل من هذه الفجوات الصغيرة ككاشف فردي. ومن خلال توزيع العديد منها عبر السطح العلوي وربطها إلكترونيًا، تمكن الباحثون من دمج مخرجاتهم في إشارة شاملة أقوى.
يلغي هذا النهج الحاجة إلى مصفوفات كاشفات معقدة أو مكونات بصرية خارجية مع ضمان تركيز الإشعاع الوارد بدقة حيث يمكن أن يساهم في الكشف.
بدأت عملية التصميم بالسطح المعدني نفسه. تم بعد ذلك دمج عناصر كاشف الخطوات الكهروضوئية القابلة للضبط (PETS) الفردية في الفجوات السعوية، والتي تتعرض لأقوى المجالات الكهرومغناطيسية.
“هذا يضمن الاقتران الأمثل للسطح الفائق بعناصر الكشف”، كما يشير المؤلف فلاديسلاف ميكايلو، الذي قاد البحث في جامعة كامبريدج ثم في جامعة سوانسي في المملكة المتحدة لاحقًا. ويضيف ميكايلو: “مقارنة بالنهج التقليدي المتمثل في توصيل أجهزة متعددة بالتوازي، فقد سمح لنا هذا النهج بتعزيز حساسية الكشف بشكل كبير”.
وبدلاً من التعامل مع جمع الضوء وتوليد الإشارات باعتبارهما تحديين منفصلين، صمم الفريق كلتا الوظيفتين كنظام واحد متكامل.
تحسين كاشف الكم
استخدم الباحثون عمليات المحاكاة الحاسوبية لضبط الميزات الهامة للجهاز، بما في ذلك التباعد بين الهياكل المتكررة وحجم فجوات الكشف.
تحدد هذه الأبعاد مدى إحكام حصر المجال الكهربائي، وبالتالي مقدار التيار الضوئي الناتج. يوازن التصميم النهائي بين تحسين المجال وعرض قناة نقل الإلكترون لزيادة قوة الإشارة إلى الحد الأقصى.
يعتمد التصنيع على بنية شبه موصلة تحتوي على غاز إلكترون عالي الحركة. تشبه عملية التصنيع إلى حد كبير التقنيات المستخدمة بالفعل لإنتاج ترانزستورات التأثير الميداني، مما يجعل التكامل المستقبلي مع الدوائر الإلكترونية أكثر عملية.
نظرًا لأن السطح الفائق نفسه يقوم بتركيز الإشعاع الوارد، فإن الكاشف لا يحتاج إلى مكونات تركيز خارجية مثل عدسات السيليكون. وهذا يبسط عملية التجميع ويمكن أن يجعل التصنيع على نطاق واسع أسهل.
أداء قوي مع أجهزة أبسط
أثناء الاختبار، تم تبريد الكاشف إلى درجة حرارة 10 كلفن وتعريضه لإشعاع قريب من 1.9 هرتز. لقد ولدت إشارة كهربائية واضحة تطابق نمط التشغيل والإيقاف للإشعاع الوارد.
أظهرت القياسات استجابة قدرها 2.7 أمبير لكل واط. وحقق جهاز إثبات المفهوم أيضًا كفاءة كمية خارجية بنسبة 2.1 بالمائة عند 1.9 هرتز.
وفقًا للباحثين، يمثل هذا تحسنًا بمقدار 20 ضعفًا تقريبًا عن أجهزة الكشف عن PETS التي تم عرضها مسبقًا. يأتي الكثير من هذا المكسب من قدرة السطح الخارق على التقاط المزيد من الإشعاع الوارد وتوجيهه إلى مناطق الكشف النشطة.
يعمل الكاشف أيضًا بدون انحياز لاستنزاف المصدر. وهذا يقلل من الضوضاء غير المرغوب فيها لأنه لا يتم إنتاج تيار مظلم.
تقول المؤلفة الأولى روكياو شيا، التي قامت بتصنيع وقياس الأجهزة كجزء من بحث الدكتوراه الخاص بها في مجموعة فيزياء أشباه الموصلات في مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج: “إن الأجهزة عبارة عن كاشفات مباشرة تعمل عند انحياز صفر، وبالتالي فهي تعمل بدون تيارات مظلمة”.
ونظرًا لإمكانية تحجيم الهندسة، فمن الممكن تكييف نفس المفهوم الأساسي لأجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي، بما في ذلك ترددات الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
التطبيقات المحتملة عبر صناعات متعددة
بالإضافة إلى حساسيته، يقدم الكاشف العديد من المزايا العملية. ويتوافق هيكلها المسطح والمسطح مع أساليب تصنيع أشباه الموصلات المعمول بها ويمكن دمجها مباشرة مع الإلكترونيات الموجودة على الرقاقة.
كما يلغي نهج السطح الخارق أيضًا الحاجة إلى مكونات بصرية خارجية محاذاة بعناية، مما يبسط التعبئة والنشر مقارنة بالعديد من أنظمة تيراهيرتز الحالية.
ويعتقد الباحثون أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تعمل في نهاية المطاف في درجات حرارة أعلى من تلك التي تتطلبها العديد من تصميمات الكاشفات المتنافسة. لقد أثبتت أجهزة PETS المماثلة بالفعل أداءً عند درجات حرارة يمكن الوصول إليها باستخدام المبردات المدمجة بدلاً من الهيليوم السائل.
يمكن أن تساعد هذه القدرة في سد الفجوة بين أجهزة الكشف المبردة عالية الحساسية وتقنيات درجة حرارة الغرفة ذات الحساسية المنخفضة، مما قد يؤدي إلى توسيع نطاق تطبيقات العالم الحقيقي.
تمثل هذه الدراسة أول عرض لكاشف ضوئي الكمي السطحي يعتمد على نظام إلكتروني ثنائي الأبعاد. ومن خلال الجمع بين جمع الضوء الفعال وآلية الكشف الكمي شديدة الحساسية، يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو التغلب على التحديات طويلة الأمد في تكنولوجيا تيراهيرتز.
يقول المؤلف المشارك ديفيد ريتشي، رئيس مجموعة فيزياء أشباه الموصلات: “النتائج مثيرة للاهتمام بشكل خاص بسبب التطبيقات التي يمكن أن تتيحها تكنولوجيا تيراهيرتز، في مجالات مثل الشبكات اللاسلكية، والرعاية الصحية، وعلم الفلك، والطب الحيوي، وضمان الجودة في التصنيع، وغيرها الكثير”.
من خلال دمج بصريات السطح الخارق مباشرة في الكاشف نفسه، يوضح الباحثون كيف يمكن للتقدم في هندسة المواد وفيزياء الكم أن يعملوا معًا لتحسين تقنيات تيراهيرتز وتوسيع استخداماتها العملية.
المرجع: “كاشف تيراهيرتز الكهروضوئي القائم على الأسطح الكمومية والقابل للضبط” بواسطة Ruqiao Xia، Matthew Tan، Harvey E. Beere، Jonathan P. Griffiths، David A. Ritchie وWladislaw Michailow، 17 مارس 2026، الضوئيات المتقدمة.
دوى: 10.1117/1.AP.8.2.026011
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
المصدر الأصلي: scitechdaily.com
