FYI.

This story is over 5 years old.

Tech

Met deze nieuwe terahertz-kijker kan je door muren en huid heen kijken

Nog even en we zijn in staat om alles te zien.

In een wereld zonder filters zijn er geen geheimen. Een muur of kleding blokkeert enkel observatie dankzij de limieten van het menselijk oog of de mechanische visie van apparaten die ontworpen zijn rondom de parameters van het naakte oog. Als de mens op een of andere manier alle frequenties lichtgolven kon zien (en ze konden begrijpen), dan zagen we alles.

We hebben een indrukwekkend arsenaal aan apparaten ontwikkeld waarmee het mogelijk is om de wereld in een andere lichtfrequenties te zien: van röntgenscanners tot millimetergolfscanners die ze gebruiken in vliegvelden (waarmee ze door je kleren heen kijken). Hoewel de mens met goede reden geëvolueerd is om een specifieke set golflengtes te kunnen zien – dat is waar we de meeste informatie kunnen vinden over onze fysieke, aardse wereld – heeft de technologie voor ons veel meer mogelijk gemaakt.

Advertentie

Hoe indrukwekkend en griezelig millimetergolfscanners ook mogen lijken – het is nog maar het puntje van de ijsberg. Boven deze extreem hoge frequentie is een ander rijk: dat van de terahertzstraling. Bekend als submillimeter-radiatie of T-straling, is het mogelijk met deze frequentie om niet alleen door kleding heen te kijken, maar ook door je huid, plastic, karton en ander ondoorzichtig materiaal. Historisch gezien was het verkrijgen van deze golven altijd een uitdaging, maar een team van onderzoekers aan de Universiteit van Maryland beweert dat ze een van de fundamentele problemen van T-straling-detectie heeft opgelost: temperatuur.

De bewering van het team van UMD is beschreven in de Nature Photonics editie van gisteren. Het probleem is dat T-stralingdetectors op een extreem lage temperatuur moeten worden gehouden om efficiënt te zijn, rond de -269 graden Celsius. Dit maakt de technologie nogal onpraktisch in zijn huidige vorm. Dit resulteert is wat bekend staat als de "terahertzkloof", een regio van het elektromagnetisch spectrum tussen microgolven en infrarood dat grotendeels buiten onze technologische mogelijkheden ligt. Dus wordt T-straling doorgaans gemeten via omwegen.

Teraherzstraling is niet-ioniserend – als een atoom wordt gebombardeerd met T-straling is zijn reactie niet om een nieuw energierijk elektron af te stoten, wat zou gebeuren in een fotovoltaïsch effect (wat achter zonne-energie zit). In plaats daarvan houdt deze elektron in zijn baan. Omdat 'ie nergens heen kan, wordt deze elektron in toenemende mate geladen en genereert hij veel destructieve warmte en radiatie.

Advertentie

Dit non-ioniserende kenmerk is herkenbaar voor veel van het elektromagnetisme waarmee we dagelijks mee te maken hebben, zoals zichtbaar licht. Maar door de hoge energie van de terahertzgolven wordt het in geval destructief. Dit is het fundamentele probleem voor het gebruik van T-straling voor beeldapplicaties. De onderzoekers beschrijven een simpele manier om grafeen, het koolstofatoomdikke wondermateriaal, te gebruiken om het probleem op te lossen.

Grafeen gedraagt zich enigszins raar als het gebruikt wordt in een T-stralingdetector. Als die hoge frequentie golven worden geabsorbeerd door elektronen in een grafeenrooster dan weigeren de energierijke elektronen om hun nieuwe energie vrij te laten. Dit zorgt ervoor dat het rooster zelf niet warm wordt. "Licht wordt geabsorbeerd door de elektronen in grafeen, het wordt warmer maar ze verliezen hun energie niet gemakkelijk. Dus ze blijven warm terwijl het koolstofrooster koud blijft," zei UMD fysicus professor Dennis Drew.

Uiteindelijk besluiten die energierijke elektronen om weg te schieten van hun atomische huisjes. Meestal kunnen elektronen in een materiaal dat wordt blootgesteld aan T-straling hun energie langzaam afgeven via fotonen (fotonen zijn de energie-dragende deeltjes van de elektronen), maar hier zijn ze in staat om het op te sparen tot ze genoeg hebben om in een keer te ontsnappen. Dit wordt het "heet-elektron fotothermoelektrisch effect" genoemd. Deze ontsnappende elektronen worden dan verzameld als elektrische stroom.

De stroom die ontvangen wordt van het grafeendetectormateriaal biedt een signaal dat kan worden geïnterpreteerd als beeld. "Terahertzbeelden zouden interessante kenmerken van vele materialen onthullen in dit spectrale gebied. De demonstratie zou ons real-time beelden geven van de verdeling van specifieke eiwitten of water in water of verborgen metalen lagen in halfgeleiders," stelde een paper uit 2010 van onderzoekers van CERN.

T-straling kan door bijna alles zien, ver genoeg om tot de gewenste laag te komen. Maar de straling penetreert niet zo ver als bijvoorbeeld microgolven. Het is ook minder destructief voor biologisch weefsel dan röntgenstraling. Daarnaast lijkt het erop dat hennep gebruikt kan worden als vervanger van grafeen, dus een toekomst vol met terahertz zou al best dichtbij kunnen zijn.