Т-лучи: физика и возможности применения

Термин «Т-лучи» был введен в употребление совсем недавно – в 2001 году – с легкой руки профессора Кси-Ченг Жанга, работавшего в то время в университете Ренесслера, ныне являющегося почетным профессором Московского государственного университета. Речь идет об аналогии с «Х-лучами», как в свое время Вильгельм Конрад Рентген назвал открытые им лучи, проходящие через непрозрачные среды. Действительно, аналогия имеется, поскольку Т-лучи также обладают способностью проникать через некоторые непрозрачные среды, в частности, через одежду. В статье, опубликованной в газете «Вашингтон пост» в 2001 году, в которой профессор Жанг впервые упомянул о Т-лучах, говорилось также о том, что Т-лучами занимается 85 групп в мире. За время, прошедшее с 2001 года, количество научных групп в мире, так или иначе связанных с этой тематикой, возросло, как минимум, в 20-30 раз.

Следует отметить, однако, что терагерцовое излучение, скрывающееся под аббревиатурой «Т-лучи», было известно задолго до этого. Фактически ранее такое излучение называлось субмиллиметровым, а еще раньше – далеким инфракрасным. Частоте света в 1 ТГц соответствует длина волны 300 мкм, или 0.3 мм. Формально сейчас под терагерцовым спектральным диапазоном понимают область частот 0.1 – 10 ТГц, что соответствует длинам волн света 3 мм – 30 мкм.

Фактически речь идет о спектральном диапазоне электромагнитных волн, который является промежуточным между инфракрасным спектральным диапазоном со стороны коротких волн и радиочастотным СВЧ-диапазоном со стороны длинных волн. В этой спектральной области перестают хорошо работать как оптические методы – со стороны коротких волн, так и радиофизические методы – со стороны длинных волн, поэтому оказывается очень сложным создать мощные и компактные источники и чувствительные приемники излучения для терагерцового спектрального диапазона. В результате часто о терагерцовом диапазоне часто говорят как о «терагерцовой щели», а также как о последнем неосвоенном диапазоне электромагнитных волн.

Интересно, что исторически терагерцовое излучение также было обнаружено одним из последних. Основные вехи, связанные с освоением различных областей электромагнитного спектра, представлены на следующем рисунке.

Фактически «закрыла» терагерцовую щель профессор Московского государственного университета Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева  (16(28).2.1884 — 30.10.1945).

Она разработала так называемый «пастовый генератор» электромагнитного излучения, который позволял возбуждать достаточно интенсивное терагерцовое излучение широкого спектрального состава, который перекрыл существовавшую на тот момент щель между оптическим и радио-диапазонами.

Работа А.А. Глаголевой-Аркадьевой “Short electromagnetic waves of wave-length up to 82 microns” была опубликована в журнале Nature в 1924 г. (Nature, V. 113, p. 640 (1924). Конструкция генератора терагерцового излучения А.А. Глаголевой-Аркадьевой оказалась очень удачной, эти генераторы использовались для возбуждения терагерцового излучения даже в 70-е годы, о чем имеются публикации в Physical Review. Интересно, что А.А. Глаголева-Аркадьева была первой заведующей кафедрой общей физики для естественных факультетов, организованной в начале 30-х годов.

Спектр излучения пастового генератора

В дальнейшем основным научным направлением кафедры стала физика магнитных явлений, но сейчас история сделала виток спирали, и этой кафедрой заведует автор настоящей заметки, который также занимается физикой терагерцового излучения.

Возникает вопрос – если терагерцовое излучение так сложно генерировать и регистрировать, может быть, без него можно обойтись? Оказывается, это не так. Дело в том, что именно этой спектральной области соответствуют характерные частоты колебательно-вращательных мод тяжелых молекул, включая органические, а также характерные частоты квантов колебаний кристаллической решетки – фононов. Поэтому существует множество практически важных задач, связанных с генерацией и детектированием терагерцового излучения. К их числу, прежде всего, относятся медицинские приложения, системы безопасности, экологический мониторинг и даже такая экзотика как терагерцовая астрономия. Приведем несколько примеров.

На рисунке показана картина раковой опухоли в терагерцовом и видимом спектральном диапазонах. Видно, что контраст на «терагерцовой» картинке значительно выше, поэтому хирург может избирательно работать именно с пораженными участками.

Еще один пример.

На этом рисунке представлен снимок человеческого зуба, снятый в видимом и терагерцовом спектральном диапазонах. На «терагерцовой» картинке ясно виден кариес, в то время как в видимом спектральном диапазоне зуб выглядит совершенно здоровым.

Важнейшей областью применения терагерцового излучения являются системы безопасности. Дело в том, что одежда является достаточно прозрачной в этом спектральном диапазоне, поэтому терагерцовые сканеры вполне могут заменить рентгеновские установки, например, в аэропортах. Огромным преимуществом терагерцового излучения по сравнению с рентгеновским является то, что оно неионизирующее, и потому безопасное для человеческого организма. На следующем рисунке показан ботинок, в подошву которого спрятана взрывчатка и пластиковый нож. Если подошву заклеить, то рентгеновский сканер не сможет обнаружить то, что находится под подошвой, а терагерцовый сканер легко это сделает.

Более того, если провести спектроскопию в терагерцовом спектральном диапазоне, то окажется возможным определить, что именно спрятано в подошве ботинка, или, скажем, под курткой у человека – «пояс шахида» или просто пояс из собачьей шерсти от радикулита.

В настоящее время такие сканеры коммерчески производятся целым рядом компаний. В частности, вышеприведенные примеры взяты с сайта компании «Teraview», производящей такое оборудование. Следует отметить, однако, что все существующие системы такого рода являются активными,

а – «терагерцовая» картинка, б – ботинок с заклеенной подошвой в видимом диапазоне, с – ботинок без подошвы в видимом диапазоне.

т.е. имеется достаточно мощный источник терагерцового излучения, освещающий объект, и регистрируется отраженное либо рассеянное излучение. В таких системах оказывается достаточным иметь относительно малочувствительные приемники излучения, которые необязательно охлаждать. Если же мы хотим построить пассивную систему, которая регистрирует терагерцовое излучение, испущенное собственно объектом, без внешней терагерцовой подстветки, то такая система должна иметь в своем составе на несколько порядков величины более чувствительные приемники излучения, которые необходимо охлаждать, причем желательно до очень низких температур вблизи абсолютного нуля.

Дело в том, что величина характерной тепловой энергии для комнатной температуры – около 300 К – как раз соответствует энергии кванта терагерцового излучения, поэтому «комнатные» приемники терагерцового излучения подвержены действию мощных тепловых флуктуаций. Выделить слабый сигнал на фоне таких флуктуаций оказывается невозможным, поэтому приемник излучения необходимо охлаждать. Тем выше чувствительность приемника излучения, которая требуется для той или иной задачи, тем ниже должна быть температура приемника. Работа при низких температурах требует создания достаточно сложных криогенных систем, что приводит к резкому удорожанию всей системы.

Но если создать систему пассивного терагерцового видения столь сложно – возможно, этого и не нужно делать? Это не так, поскольку активная и пассивная системы дают совершенно различную информацию об объекте. Чтобы это продемонстрировать, рассмотрим следующий пример. На рисунке изображен человек в видимом спектральном диапазоне.

Это, естественно, активная картинка, сделанная в рассеянном свете с использованием источника освещения.

Если теперь выключить свет в комнате и зашторить окна, то мы в видимом спектральном диапазоне не увидим ничего. Это значит, что чувствительности нашего приемника излучения (глаза) недостаточно для регистрации пассивной картинки в видимом диапазоне.

Пассивная картинка выглядит следующим образом.

Эта картинка снята на длине волны 10 мкм в инфракрасном диапазоне, для которого собственное излучение объекта, имеющего температуру вблизи комнатной, максимально. Видно, например, что нос у человека заметно холоднее щек, что совершенно незаметно на активной картинке.

В терагерцовом спектральном диапазоне интенсивность излучения тел, находящихся при температурах около 300 К, сильно снижается, но все же остается достаточно заметной, поэтому при наличии высокочувствительных приемников излучения регистрация такой картинки оказывается, в принципе, возможной, хотя задача требует, как уже отмечалось выше, применения на несколько порядков величины более чувствительных приемников излучения по сравнению с используемыми в активных системах.

Возникает вопрос – стоит ли игра свеч, т.е. насколько информация, предоставляемая пассивными системами на длинах волн 10 мкм (инфракрасный диапазон) и 100 мкм (терагерцовый диапазон) будет различаться? Ответа на этот вопрос пока нет, хотя можно ожидать, что, например, биологическая активность связана с переходами между различными вращательно-колебательными модами тяжелых органических молекул, поэтому она может сопровождаться резонансным выделением либо поглощением энергии именно на терагерцовых частотах. Поэтому сравнение инфракрасной и терагерцовой картинок может быть очень важным для выделения таких резонансных процессов.

Пассивных систем терагерцового видения, ориентированных на медико-биологические применения, пока не существует. Это связано с большими сложностями, возникающими при разработке высокочувствительных терагерцовых систем.

А существуют ли вообще такие терагерцовые приемники излучения? Да, существуют. Они используются в терагерцовой астрономии. В последнее время достигнут огромный прогресс в областях, связанных с астрономическими наблюдениями. Этот прогресс, в основном, связан с развитием технических средств наблюдения в различных спектральных диапазонах, в том числе с использованием обсерваторий космического базирования. Особый интерес для астрономии представляет терагерцовый спектральный диапазон.

Дело в том, что минимум космического фона соответствует как раз частоте 1 ТГц (см. следующий рисунок). Интенсивность фонового излучения возрастает на более низких частотах из-за реликтового излучения, а на более высоких частотах – из-за излучения межгалактической пыли. Ясно, что чем ниже интенсивность фонового излучения, тем более слабые полезные сигналы на этом фоне можно зарегистрировать, т.е. заглянуть дальше в космическое пространство.

Спектральная плотность космического фонового излучения

Учитывая особое значение терагерцового спектрального диапазона, планировался запуск целого ряда космических обсерваторий терагерцового диапазона. Наиболее «проработанная» миссия – японский проект «SPICA», который должен был быть запущен в 2022 г. Однако в связи с аварией на японской атомной станции пару лет назад этот проект был остановлен, когда он возобновится и возобновится ли вообще, пока неясно. Поэтому ближайшим космическим проектом, который будет работать в терагерцовом спектральном диапазоне, является российская космическая обсерватория «Миллиметрон», запуск которой сейчас прогнозируется в 2023 г.

Параметры «Миллиметрона» поражают воображение. Достаточно представить себе антенну, которая имеет 12 м в диаметре, которая складывается, а после запуска на орбиту разворачивается как цветок. Антенна является параболической, имеет допуски по флуктуациям формы не более 10 мкм, и, кроме того, охлаждается до температуры жидкого гелия (см. рисунок).

Последнее необходимо для того, чтобы чувствительные приемники излучения, которые будут стоять на «Миллиметроне», регистрировали слабое космическое излучение, а не излучение собственно антенны. Техническое задание на чувствительность приемников излучения «Миллиметрона» на 4 порядка величины превышает чувствительность, необходимую для пассивной регистрации терагерцового излучения от тел, имеющих комнатную температуру.

Современные сверхвысокочувствительные приемники терагерцового излучения основаны, как правило, на сверхпроводниковых технологиях. Это сверхпроводниковые болометры, болометры на кинетической индуктивности сверхпроводников, другие системы. Заявляемые параметры наиболее совершенных терагерцовых фотоприемных систем, реализованных в различных лабораториях мира, пока не дотягивают до значений, необходимых для «Миллиметрона». Следует отметить, что даже это – лабораторные образцы, не предназначенные для полета в космос, то есть до успешного завершения работы путь еще очень долгий.

Наиболее существенным недостатком сверхпроводниковых систем является очень низкая рабочая температура. Фотоприемники, как правило, перестают работать при температуре выше 300 мК, а оптимальные параметры реализуются при рабочей температуре 20-50 мК. Такие температуры труднодостижимы в космических условиях, кода нет возможности прислать сервисную бригаду для отладки оборудования.

Есть ли альтернативные возможности? Да, такие возможности существуют, и они связаны с использованием полупроводниковых технологий. Вообще говоря, полупроводниковые технологии регистрации электромагнитного излучения очень хорошо работают в инфракрасном спектральном диапазоне. В частности, подавляющее большинство тепловизоров, рабочим диапазоном которых являются так называемые «атмосферные окна», или окна прозрачности атмосферы, при длинах волн (3 – 5) мкм и (8 – 12) мкм, имеют полупроводниковые чувствительные элементы. Работа таких элементов основана на оптическом возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости через запрещенную зону. Полупроводниковые фотодетекторы являются очень чувствительными и быстрыми, но имеют одно важное ограничение: их спектральный диапазон ограничен по энергии снизу шириной запрещенной зоны полупроводника. Существуют полупроводники с малой шириной запрещенной зоны, но их работа в качестве фотоприемников ограничена возможностями синтезировать совершенные бездефектные материалы. Поэтому практически рабочая длина волны полупроводниковых фотоприемников, работающих на межзонных переходах, не превышает 15 – 20 мкм.

Альтернативной возможностью является использование переходов «примесь – зона». В этом случае удается продвинуться гораздо дальше по длине волны. До последнего времени считалось, что наиболее длинноволновым квантовым полупроводниковым приемником излучения является германий, легированный галлием, подвергнутый одноосной деформации. Интересно, что впервые эта возможность была продемонстрирована в конце 70-х годов в ту пору молодым сотрудником, а ныне профессором физического факультета МГУ Андреем Георгиевичем Казанским, в соавторстве с американскими коллегами. Красная граница фотоэффекта для одноосно деформированного Ge(Ga) составляет 220 мкм. Фотоприемники на основе Ge(Ga) долгое время считались наиболее чувствительными для длин волн менее 220 мкм, и использовались, в том числе, в космических обсерваториях. В последнее время, однако, эти фотоприемники проиграли в соревновании со сверхпроводниковыми технологиями.

Есть ли что-то еще в запасе у полупроводникового сообщества? Оказывается – да, есть. Эта возможность связана с использованием полупроводниковых твердых растворов Pb1-xSnxTe с малой шириной запрещенной зоны, сильно легированных индием.

Работы по исследованию свойств Pb1-xSnxTe(In) начались в 70-х годах в нескольких научных группах, в том числе в группе с физического факультета МГУ под руководством Николая Борисовича Брандта и Бориса Александровича Акимова. В конце 70-х годов к работе группы подключились Людмила Ивановна Рябова и автор этой заметки, которые сейчас ведут это научное направление. Уже в конце 70-х годов стало понятно, что свойства Pb1-xSnxTe(In) определяются двумя важными эффектами, не характерными для нелегированного полупроводника – стабилизацией уровня Ферми и задержанной фотопроводимостью. Было получено множество красивых физических результатов, из которых можно выделить обнаружение перехода диэлектрик – металл как под действием внешнего давления, так и при воздействии слабого инфракрасного излучения. Эти фундаментальные результаты показали принципиальную возможность создания очень чувствительных инфракрасных фотоприемников на основе данных полупроводников.

Ключевой результат, который открыл прямой путь к практическому использованию таких фотоприемников, был получен в середине 80-х годов. Мы показали, что задержанная фотопроводимость, которая наблюдается в материале, может быть погашена за очень короткое время – менее 1 мкс – при приложении к фотоприемнику короткого радиочастотного импульса. Это позволило создать инфракрасную фотоприемную систему, обладающую очень высокой чувствительностью, и работающую при температуре жидкого гелия.

Работы последнего времени показали, что спектральный диапазон этой фоточувствительности простирается, как минимум, до длины волны 500 мкм. Оценки чувствительности фотоприемника дали очень обнадеживающий результат: чувствительность приемника терагерцового излучения на основе Pb1-xSnxTe(In) близка к необходимой для работы «Миллиметрона», и реализуется при температуре 1.5 К. В настоящее время проводится проработка возможностей использования наших фотоприемников в составе «Миллиметрона».

Другое важное направление работ нашей группы в последнее время связано с попыткой создания системы пассивного терагерцового видения. Такая система состоит из одиночного фотоприемника Pb1-xSnxTe(In), сопряженного с оптико-механическим сканером, позволяющим получить картинку. Выбор участка терагерцового спектра будет происходить с помощью охлаждаемого жидким гелием терагерцового полосового фильтра. Криогенный блок и оптико-механический сканер представлены на картинке.

Оптико-механический сканер и детекторный блок

Реализация проекта позволить получить пассивную терагерцовую картинку 140*140 пикселей на длине волны от 100 до 350 мкм в течение 45 секунд. Как нам представляется, работа прибора откроет совершенно новые возможности, особенно для медицинских приложений.

профессор Д.Р. Хохлов