В последние годы растет интерес к разработке практических устройств на основе терагерцовой технологии. Т-лучи с длиной волны больше, чем инфракрасный свет, считаются более безопасными, чем обычные системы визуализации. Они уже используются, например, на контрольно-пропускных пунктах в аэропортах и начинают более широко использоваться в таких областях, как медицинский осмотр, проверка пищевых продуктов и анализ произведений искусства. Однако до сих пор визуализация самого терагерцового света оказалась сложной задачей.
Теперь Хидео Хосоно из Центра исследования материалов в области элементной стратегии Tokyo Tech и его коллеги из Японии, Украины и США разработали простой подход для преобразования Т-лучей в яркий видимый свет. Их результаты были опубликованы в ACS Nano.Во-первых, исследование включало направление Т-лучей на кристалл майенита с помощью гиротрона [1].
Это привело к вибрации анионов кислорода [2], которые сталкиваются с внутренними стенками клеток внутри кристалла. Каждая клетка имеет внутренний диаметр 0,4 нм и внешний диаметр 0,7 нм.
«Дребезжание ионов кислорода внутри клеток способствует восходящему преобразованию энергии», — объясняет Хосоно. «Сильные и частые столкновения ионов кислорода вызывают перенос электронов в соседние пустые клетки. Возбуждение ионов кислорода является ключом к излучению видимого света».
Спектроскопические измерения подтвердили, что видимый свет возникает из-за колебаний, вызванных свободно движущимися анионами кислорода. Исследователи постарались исключить возможность других источников, таких как излучение черного тела и поверхностная поляризация, как причины образования видимого света.Исследование является примером стратегического исследования функциональных материалов в рамках инициативы Element Strategy, поддерживаемой Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) и Японским агентством науки и технологий (JST).«Кристалл в нашем исследовании состоит только из кальция, алюминия и кислорода, которые входят в пятерку самых распространенных элементов», — говорит Хосоно. «Итак, это один из самых недорогих материалов, по цене около 15 центов за килограмм».
Несмотря на свою простоту, Хосоно говорит, что кристалл обладает множеством захватывающих свойств благодаря своей наноструктуре. Опираясь на 20 лет исследований, его группе уже удалось продемонстрировать, что этот материал обладает превосходными каталитическими свойствами для синтеза аммиака и сверхпроводимости.
Хосоно, наиболее известный своей новаторской работой по сверхпроводникам на основе железа, говорит, что текущее исследование знаменует собой новое направление исследований. «Наша группа концентрируется на культивировании новых функций с использованием большого количества элементов, но я впервые сосредоточился на ионном движении — это совершенно новое явление», — говорит он.Полученные данные могут привести к разработке детектора Т-лучей, поскольку такой традиционный детектор еще не был разработан.Хосоно добавляет: «Прямо сейчас наш материал хорошо обнаруживает сильное терагерцовое излучение.
Проблема будет в том, как отрегулировать чувствительность».Его группа также сообщила, что анионы кислорода можно заменить анионами золота или водорода внутри клеток. Используя эти различные анионы, возможно, в будущем удастся разработать детекторы, излучающие свет разного цвета.
Технические понятия[1] Гиротрон: устройство, способное генерировать мощное терагерцовое излучение. Гиротрон, использованный в этом исследовании (названный Gyrotron FU CW IV), был разработан в Исследовательском центре развития дальней инфракрасной области Университета Фукуи, Япония.
[2] Анионы: отрицательно заряженные ионы. Вместе со своими положительно заряженными аналогами (катионами) они поддерживают структуру ионных кристаллов.