Terahertz Dalgaları Daha Çok Kullanılacak

 

Terahertz Dalgaları Nedir?

Elektromanyetik spektrumun 0.1 ile 10 THz frekans aralığındaki ışımalara Terahertz dalgaları veya T-ışını (T-rays) denir. 1 THz = 1012 Hz dir.  Bu frekans aralığı mikrodalga ile uzak kızıl ötesindeki aralığa karşılık gelir.  THz dalgaları elektromanyetik spektrumun geniş bir alanını kaplamalarına rağmen çok fazla keşfedilmemiş bir bölgede bulunmaktadır.  THz frekanslı ışıma yenilikçi algılama ve görüntüleme yetenekleri ile son yılların üzerinde en çok çalışılan araştırma konularından birisi olmuştur (Ref.  1).       

 

Elektromanyetik Spektrumda T-ışınları (Jefferson Lab'dan alınmıştır)

Terahertz ışıması, elektromanyetik spekturumun diğer bölümlerinde bulunmayan benzersiz özelliklere sahiptir. Terahertz ışıması su ve metal haricindeki hemen hemen her maddeye belirli bir derecede nüfus edebilir ve kimyasal, biyolojik moleküllerin büyük bir kısmının titreşim hareketine uyan frekans aralığındadır. T-ışınları plastik, karton, kumaş gibi çoğu malzemeden geçerek su ve su buharında soğrulup metallerden yansır.  Bu sayede havaalanı güvenliğinde uygulama alanı bulabilmekle birlikte, THz dalgaboyları çoğu kimyasal ve biyolojik malzemeninde parmak izi spektrumunuda oluşturduğundan, tehlikeli maddelerin tanımlanmasında kullanılabilir.    THz dalgaları çok hızlı kablosuz iletişimde, tıbbi görüntülemede,  kara mayınlarının uzaktan algılanmasında yeni avantajlar sağlayacaktır.  Bütün bunların yanında T-ışınları biyolojik dokuları iyonize etmeme özelliğinden dolayı X-ışınlarına göre zararsızdır.  Canlılar üzerinde dozaj sınırı olmadan tıbbi görüntüleme veya başka amaçlarla kullanılabilir.

 

Havaalanlarındaki güvenlik çemberinden çanta, eşya veya giysiler X-ışını kameralarından geçerken, yolcular üzerininde metal bulunup bulunmadığını  manyetik algılayıcılar tespit etmektedir.  Dolayısıyla yolcuların taşıdıkları tüm metal nesneleri üzerlerinden çıkarıp, hatta ayakkabılarını, X-ışını cihazına koymaları gerekmektedir ki bu da havaalanlarında uzun kuyrukların oluşmasına neden olmaktadır.  Biyolojik dokulara zarar vermeyen T-ışınları ile yolcuların eşyalarını bırakmadan taramadan geçirilmeleri mümkün olacaktır.  Aynı zamanda T-ışını yansıma spektroskopisi kullanılarak kara mayınlarının 30 m  kadar uzaktan tespitinide yapmanın mümkün olduğunu yapılan araştırmalar göstermiştir (Ref. 2).   

 

  T-ışınları ile güvenlik kontrolü (THz Network'ten alınmıştır)

 

 

Bütün bu özelliklerine rağmen bu frekans aralığı küçük boyutlu kompakt,  frekansı ayarlanabilir, koherent, sürekli ışıma yapan T-ışınları üreten kaynaklardan yoksundur.  THz dalgaları genişbant dalgalar veya dar-bant sürekli dalga olarak çeşitli yöntemlerle üretilebilmektedir. Serbest elektron lazerleri atmalı veya sürekli T-ışınları üretimi için uygun olmasına rağmen çok büyük ve pahalı olmaları laboratuvar dışında kullanımını engellemektedir.   Gerikalmış dalga titreştiricilerde (Backward Wave Oscillator) belli frekans aralığında ayarlanabilmekte ve büyük hacim kaplamaktadırlar.  Kuantum kademeli lazerlerde (Quantum Cascade Lazer) frekans 2.1 THz'in altına henüz inilememiştir.  Genellikle çok pahalı femtosaniye atma üreten lazerlerle atmalı THz dalga üretilebilmekte ve laboratuvar dışında uygulama bulması konusunda araştırmalar devam etmektedir.   

 

Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerinin Terahertz Işıması

Terahertz dalga boylarında ihtiyaç duyulan küçük boyutlu, yüksek güçlü, frekansı ayarlanabilir, koherent, sürekli ışıma yapan bir kaynağa İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü ile Argonne Ulusal Laboratuvarının çözüm  önerisi katmanlı süperiletkenlerdir.  Tek kristal Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi2212) yüksek sıcaklık süperiletkeni c-ekseni boyunca sıralanmış üstüniletken  CuO2 katmanları ile yalıtkan Bi-O ve Sr-O katmanlarından oluşur.  Bu doğal katmanlı yapı, c-ekseni boyunca tünel eklemler oluşturur ve özgün Josephson eklemleri olarak isimlendirilir.  AC Josephson olayı kullanılarak bu tünel eklem dizilerinin terahertz dalga boyunda ışıması uzun yıllardır teorik olarak araştırılmış ama koherent ve şiddetli bir ışıma elde edilememiştir.  On yılı aşkın süredir elektron ve cooper çifti tünellemeleri üzerine çalışmamız (Ref.  3) ve tünel eklemlerdeki ısınma olaylarındaki bilgi birikimimiz (Ref.  4) neticesinde yeni bir tasarım yapılarak terahertz ışıma gözlenmesi planlanmıştır.  Lazer kavitesine benzeşim yapıldığında, süperiletken dikdörtgen prizması şeklindeki örnek içinde, elektromanyetik kavite rezonansının uyarılması bir makroskopik kuantum durumu oluşturur ki,  çok sayıdaki tünel eklem senkronize olarak aynı fazda THz frekansında titreşmeye başlar.  Bu prensip doğrultusunda Bi2212 tek kristalleri üzerine fotolitografi ve iyon demeti aşındırma yöntemleri ile çeşitli boyutlarda mesa yapılar şeklinde hazırlanarak, düşük sıcaklıklarda akım-gerilim ve bolometreden gerilime bağlı olarak terahertz ışımaları incelenmiştir. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

THz ışıma yapan ilk örnek, 6x6 mm2 safir üzerinde 1x1 mm süperiletken kristal. 

Sağ taraftaki iki tele 1 volt civarında gerilim uygulamak Terahertz dalgası eldesi için yeterlidir.

 

Dikdörtgenler prizması şeklinde hazırlanmış özgün Josephson eklemlerinden 0.85 THz’e kadar sürekli,  koherent ve polarize ışıma ilk defa elde edilmiş ve bolometre ve spektrometre ile dedekte edilmiştir.  Işıma gücünün Josephson eklemlerinin sayısının karesi ile arttığı ve 0.5 mikrowatt’a kadar ulaştığı bulunmuştur.  Mesa boyutlarına bağlı olarak ışımanın frekansının değiştirilebildiği ve 50 K’e kadar sıcaklıklarda ışıma yaptığı tespit edilmiştir.   Elde edilen sonuçlar üstüniletken kompakt THz kaynaklarının geliştirilmesine ve bu frekans aralığının daha etkin kullanılmasına öncülük edecektir (Ref.  5).  Doç. Dr. Lütfi Özyüzer yürütücülüğünde İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümünde gerçekleştirilen, TÜBİTAK tarafından da desteklenen Süperiletkenlerden T-ışını eldesi projesi, ABD de Argonne Ulusal Laboratuvarında Cihan Kurter, Ulrich Welp, Ken Gray ve Alex Koshelev, Japonyada Kazuo Kadowaki gruplarının ortak projesidir.  Terahertz ışınımın ucuz ve küçük bir aygıttan üretimi, bilinen uygulama alanlarının yanında bilinmeyen uygulama alanlarınıda ortaya çıkarıp, çok farklı disiplinlerde çığır açacaktır.  23 Kasım 2007 de  Science'da yayınlanan çalışma, süperiletkenler kullanarak daha da güçlü T-ışınımı eldesine olanak sağlayacak çalışmaların ilk adımıdır.  Kim istemezki kara mayınları havadan helikopterle tespit edilmesin?  

 

Yukarıda resmi olan T-ışını kaynağının şematik gösterimi.

 

REFERANSLAR:

[1] http://www.thznetwork.org/wordpress/

[2] H. B. Liu et al. Proceedings of the IEEE 95, 1514 (2007).  

[3] L. Ozyuzer et al. Phys. Rev. B 61, 3629 (2000).

[4] L. Ozyuzer et al. IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 181 (2005).

[5] L. Ozyuzer, A.E. Koshelev, C. Kurter et al. Science 318, 1291 (2007).

[6] http://www.milliyet.com.tr/2006/08/10/guncel/agun.html

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------