موضوع مقاله: طیف سنجی تراهرتز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # طیف سنجی تراهرتز | مقدمه: طیف‌سنجی THz به برانگیختگی‌های کم‌انرژی مانند گذارهای چرخشی و ارتعاشی در مولکول‌ها، فونون‌ها و مودهای جمعی در جامدات، انتقال بار در نیمه‌رساناها و ابررساناها، و برهم‌کنش‌های میان‌مولکولی در مایعات و مواد زیستی دسترسی دارد. | ## بخش 1: طیف سنجی تراهرتز | روش THz-TDS به‌دلیل دسترسی پهن‌باند به اطلاعات دامنه و فاز، در شناسایی مواد، تصویربرداری و ارزیابی غیرمخرب کاربرد فراوانی دارد، در حالی که THz-FDS از رزولوشن طیفی بسیار بالا (اغلب کمتر از 1 MHz) برخوردار است و برای طیف‌سنجی گازی با محدودیت دوپلر و متولوژی دقیق مناسب است. طیف‌سنجی THz در فیزیک مادهٔ چگال، شیمی، آشکارسازی جوی و محیطی، بازرسی امنیتی، داروسازی، مخابرات، تحلیل میراث فرهنگی، تصویربرداری پزشکی و کنترل کیفیت صنعتی کاربرد دارد. پیش‌زمینه روش‌های متعددی برای تولید تابش THz و آشکارسازی میدان‌های THz وجود دارد. با ضرب کردن میدان اوج E_{THz} در بار الکترون e و طولی برابر یک نانومتر (L = 1 nm)، می‌توان مقدار انرژی برابر تقریباً 100 meV به‌دست آورد؛ این نشان می‌دهد میدان‌های THz می‌توانند اثرات عمده‌ای بر سیستم‌های الکترونی در مقیاس میکروسکوپی داشته باشند. این میدان‌ها می‌توانند برای مطالعهٔ پدیده‌هایی مانند نوسان‌های بلوخ (Bloch oscillations) به کار روند، که در آن الکترون‌های نیمه‌رسانا در ناحیهٔ بردِ بریلوئن حرکت می‌کنند و سپس به نقطهٔ آغازین بازمی‌گردند، و طیف‌سنجی THz می‌تواند چنین پدیده‌هایی را آشکار کند. ترکیب مدت‌زمان فوق‌العاده کوتاه و میدان اوج قوی امکان پایش و کنترل فرایندهای فوق‌سریع در نیمه‌رساناها و تولید سوئیچ‌های فوق‌سریع را فراهم می‌سازد. علاوه بر شدت و مدت‌زمان، انرژی فوتون THz نیز در مطالعات نیمه‌رساناها مهم است؛ انرژی فوتون می‌تواند با گذارهای جمعی مانند ایجاد اکسیتون‌ها هم‌فرکانس شود. انرژی بستگی اکسیتون‌ها معمولاً در محدودهٔ چند تا چندصد meV است که با فوتون‌های THz قابل‌مقایسه می‌باشد؛ بنابراین حضور اکسیتون‌ها را می‌توان از طریق طیف جذب در میدان THz تشخیص داد. با این‌حال، روش‌هایی مانند آنتن‌ها و نمونه‌برداری الکترواپتیکی امکان اندازه‌گیری زمان‌تکامل E_{THz t) را فراهم می‌کنند. | ## بخش 2: طیف سنجی تراهرتز | برای مثال می‌توان یک پالس THz را از میان یک نمونهٔ نیمه‌رسانا عبور داد و میدان‌های منتقل‌شده و بازتابی را به‌صورت تابع زمان اندازه‌گیری نمود؛ بدین ترتیب اطلاعات مربوط به دینامیک برانگیختگی نیمه‌رساناها در حوزهٔ زمان گردآوری می‌شود که اصل کلی THz-TDS است. برای نیمه‌رساناهای ذاتی می‌توان پارامترهایی مانند دی‌الکتریک پیچیده، ضریب جذب THz و ضریب شکست را تعیین کرد. فرکانس فونون‌های عرضی-اپتیکی که با فوتون‌های THz کوپل می‌شوند برای اکثر نیمه‌رساناها در چند THz قرار دارد. حامل‌های آزاد در نیمه‌رساناهای دوپ‌شده یا برانگیخته نوری سبب جذب قابل‌توجهی از فوتون‌های THz می‌گردند. از آنجا که پالس‌های THz از مواد غیرفلزی عبور می‌کنند، می‌توان از آن‌ها برای بازرسی و انتقال اشیاء بسته‌بندی‌شده استفاده نمود. طیف‌سنجی حوزهٔ فرکانس (THz-FDS) طیف‌سنجی حوزهٔ فرکانس تراهرتز از تابش پیوسته‌ای استفاده می‌کند که فرکانس آن در یک بازهٔ مشخص جاروب می‌شود تا پاسخ دامنه و فاز ماده اندازه‌گیری شود. آشکارسازی همدوس با استفاده از فوتومیکسر ثانویه‌ای که با همان لیزرها تحریک می‌شود انجام می‌پذیرد و هر دو کمیت دامنه و فاز میدان THz را حفظ می‌کند. یک مزیت کلیدی THz-FDS رزولوشن طیفی بسیار بالا (گاهی بهتر از 1 MHz) است که امکان تفکیک گذارهای گازی محدود به دوپلر و دیگر ویژگی‌های طیفی بسیار باریک را فراهم می‌کند. این ویژگی THz-FDS را برای طیف‌سنجی دورانی دقیق گازها، مطالعهٔ فونون‌ها در جامدات و اندازه‌گیری رزونانس‌های تیز در نیمه‌رساناها، ابررساناها، متامتریال‌ها و ساختارهای لایه‌نازک مناسب می‌سازد. | ## بخش 3: طیف سنجی تراهرتز | سامانه‌های THz-FDS همچنین برد دینامیکی بالا و اندازه‌گیری‌های کمی جذب و شاخص شکست فراهم می‌آورند. اگرچه THz-FDS نقاط فرکانسی جداگانه‌ای را می‌گیرد در حالی که THz-TDS نقاط تأخیر زمانی را نمونه‌برداری می‌کند، زمانی‌که برای پهنای باند، رزولوشن طیفی و نسبت سیگنال‌به‌نویز نرمال‌سازی شوند، هر دو روش معمولاً به زمان اندازه‌گیری کلی مشابهی نیاز دارند. تشخیص همدوس در THz-FDS می‌تواند موجب ایجاد خطوط تداخلی شود که با روش‌هایی مانند مدولاسیون فاز نوری و تشخیص هارمونیک دوم قابل حذف است. پلاسمای القاشده توسط تراهرتز و گذارهای اکسیتونی میدان‌های THz می‌توانند الکترون‌ها را از تعادل خارج کنند؛ اگر این اعمال به اندازهٔ کافی سریع انجام شود، می‌توان فرایندهای ابتدایی مانند چگونگی شکل‌گیری پوششِ کولمبی (screening) را اندازه‌گیری کرد. در یک مطالعه نشان داده شد که پوشش‌دهی کولمبی در نیمه‌رساناها ظرف چند ده فمتوثانیه کامل می‌شود؛ این بینش‌ها برای فهم رفتار پلاسما الکترونی در جامدات اهمیت دارد. اکسیتون‌ها به دلیل شباهت‌شان به اتم هیدروژن دارای حالات بستگی هستند (1s, 2s, 2p و غیره). گذار 1s→2p به‌ویژه دوپل مجاز است و می‌تواند به‌وسیلهٔ میدان THz مستقیماً برانگیخته شود اگر انرژی فوتون THz با انرژی گذار مطابقت کند. برای نمونه می‌توان گذار اکسیتونی را با یک پالس نوری اضافی که با پالس THz همگام‌سازی شده برانگیخت؛ این تکنیک «طیف‌سنجی گذرای THz» نام دارد و به‌کمک آن می‌توان دینامیک تشکیل اکسیتون‌ها را دنبال کرد یا تقویت THz ناشی از گذارهای داخلی اکسیتون را مشاهده نمود. | ## جمع‌بندی | در این چارچوب، میدان THz مستقیماً توسط همبستگی‌های دوذره‌ای جذب می‌شود که سینتیک کوانتومی توزیع الکترون و حفره را تغییر می‌دهند.