В марте 2013 года, в ФИАНе, состоялись очередные, XXXVII Вавиловские чтения. На них с докладом «Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты» выступил профессор физического факультета МГУ Д. Р. Хохлов. Он рассказал о необычных свойствах легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца и о том, как эти свойства могут быть использованы для построения чрезвычайно чувствительных фотоприемных систем терагерцового спектрального диапазона. Терагерцовый диапазон электромагнитных волн является одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области плохо работают как радиофизические методы – со стороны более длинных волн, так и оптические – со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения терагерцового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радиодиапазонов. Между тем, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем, работающих в этом спектральном диапазоне. В частности, большинство взрывчатых веществ состоит из тяжелых органических молекул со своими характерными спектрами поглощения и отражения, мониторинг которых позволит, вывести на новый уровень системы безопасности в аэропортах и в других общественных местах. В большинстве современных спектроскопических систем терагерцового диапазона используется метод активной локации, когда исследуемый объект освещается мощным лазерным терагерцовым импульсом, и исследуется сигнал, отраженный от объекта или прошедший через него. Пассивные системы, которые исследовали бы излучение терагерцового диапазона, испущенное собственно объектом, практически отсутствуют. Основная причина этого – малая чувствительность соответствующих приемников излучения. В то же время использование таких систем, безусловно, открыло бы принципиально новые возможности во многих областях, в частности, медицинских приложениях. Одной из важнейших областей возможного применения высокочувствительных приемников терагерцового излучения является терагерцовая астрономия. В рамках этого направления в 2018 году планируется запуск космической терагерцовой обсерватории «Миллиметрон». Проект осуществляется под руководством Астрокосмического центра ФИАН. Существующие высокочувствительные приемники терагерцового излучения, построенные на основе сверхпроводящих технологий, имеют серьезные ограничения по своему использованию, основным из которых является чрезвычайно низкая рабочая температура, необходимая для обеспечения требуемых параметров фотоприемника – не более нескольких десятков милликельвинов. В докладе были показаны новые возможности, открывающиеся для этих целей при использования легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца. Часть доклада была посвящена последним результатам, полученным в этой области. В частности, было показано, что спектр фотопроводимости материала простирается далеко в терагерцовую спектральную область. Значительный фотоотклик наблюдался, по крайней мере, до длин волн около 500 мкм. Значение соответствующей энергии кванта излучения существенно ниже любых характерных энергий электронного спектра материала: ширины запрещенной зоны, энергии активации основного примесного состояния, и т.д. Было продемонстрировано, что задержанная терагерцовая фотопроводимость связана с формированием необычных локальных электронных состояний. Если продолжать аналогию со сверхпроводниками, то было бы естественным предположить, что наличие таких локальных состояний может подавляться магнитным полем, либо протекающим током. В докладе было продемонстрировано, что появление локальных электронных состояний, ответственных за терагерцовую задержанную фотопроводимость, действительно подавляется электрическим током. В то же время ожидаемого подавления этих локальных состояний магнитным полем не зарегистрировано. Использование эффекта задержанной терагерцовой фотопроводимости в реальных фотоприемных устройствах возможно только в случае, если имеется способ быстрого гашения задержанной фотопроводимости. В докладе было продемонстрировано, что приложение к образцу коротких длительностью около 100 нс радиочастотных импульсов может полностью погасить задержанную фотопроводимость. В таком случае появляется возможность построить терагерцовое фотоприемное устройство, работающее в режиме периодического накопления и последующего быстрого сброса фотосигнала.
Система, состоящая из одиночного фотоприемника и оптико-механического сканера, в настоящее время разрабатывается. Она позволит создавать пассивную терагерцовую «картинку» объекта, находящегося при температуре вблизи комнатной, за время порядка 40 с. Кадр будет содержать примерно 2·104 элементов. Длина волны, на которой будет формироваться изображение, может изменяться от 10 до 350 мкм в зависимости от выбора терагерцового фильтра. ФИАН-Информ
