Anzeige
Terahertz waves occupy the part of the spectrum between light and radio, specifically between infrared and millimetre waves. With wavelengths of 0.1-1mm, THz waves can be used like light or x-rays to create detailed images of solid objects. They have the useful property of passing easily through packaging and clothes, and since they are non-ionising they are safer than x-rays.
But THz waves can probe the content of objects as well as their shapes, thanks to their ability to respond to chemical properties. This is because their frequency range of 0.3-3THz matches the natural molecular vibrations of many common substances and biological materials.
Add these two properties together and you have a scanner that can not only detect a hidden package, but also show what is inside. New European research on THz waves could enable applications that include detecting tumours beneath the skin, a new and powerful kind of microscope for biological research, and quality control in semiconductor and pharmaceutical factories, as well as smart security scanners.
No man’s land
Scientists have known the potential of THz waves for many years, and some THz instruments are already available commercially – though the new 3D scanners found in some airports mostly use the adjacent millimetre waveband. So why the need for more THz research?
One answer, according to THz expert Martyn Chamberlain, is that THz radiation is hard to generate, lying as it does in the “no-man’s land” between electronics and optics. Electronic generators cannot yet operate at frequencies above 0.3THz, Chamberlain explains, while traditional THz lasers are too bulky for most practical applications. As a result, THz radiation has been comparatively neglected.
This is set to change following the results of an EU-funded research project called TeraNova, for which Chamberlain is a spokesperson. The 18 TeraNova partners include French electronics giants Thales and Alcatel, BAE Systems of the UK, and German drug discovery company Evotec. The four-year project is in its final stage and its partners have made several important developments in generating, using and detecting THz waves.
One big step forward was in quantum cascade lasers (QCLs): semiconductor devices that take advantage of quantum effects to operate at frequencies in the THz range. The researchers were able to extend the range of operating frequencies down to 850GHz, and are on the brink of producing QCLs that operate with simple solid-state cooling instead of the liquid nitrogen previously required.
The project also developed lasers that produce intense pulses of near-infrared light lasting as little as one femtosecond (a thousandth of a trillionth of a second!). When these extremely short pulses hit a special semiconductor target they produce “broadband” THz radiation, which has great potential for a range of new research tools in chemistry, biology and basic physics.
To complement their improved THz sources, the researchers developed new amplifiers and detectors. They have combined these in modular chips that have world-leading potential to create new low-cost analytical devices for biological research where, says Chamberlain, the very low energy of THz radiation ensures that fragile biological samples are not damaged.
From semiconductors to sperm cells
Passing easily through containers, clothes and packaging, THz waves can be used to measure the strength of alcoholic drinks or check the composition of foodstuffs or industrial raw materials, as well as identifying explosives and contraband. In the life sciences, THz technology is a highly sensitive way to detect genetic mutations and probe the structure and function of living cells, including the detection of cancers. In manufacturing processes, THz waves can check the integrity of multi-layer tablet coatings and control the quality of semiconductor wafers.
The TeraNova partners used their new THz sources and detectors to create prototypes of two practical THz devices: one aimed at electronics manufacturers and the other at animal breeders.
The first device relies on the ability of THz waves to measure the concentration and mobility of charge carriers in semiconductor wafers, especially those created using a technique known as molecular beam epitaxy (MBE). Traditional measurements of these properties require wafers to be sacrificed, so the non-destructive nature of the THz scanner is a real step forward.
The other demonstration device provides a way to identify individual biological cells without the need to “label” them with toxic dyes or radioisotopes. The Micro-integrated Single-cell THz Spectroscopic Sensor (MIST) will detect the X and Y chromosomes in sperm cells, and might form the basis for an automatic sex-selection system that would be useful to livestock breeders.
At a less commercial level, the project developed a number of “proof-of-principle” demonstrators for biological research. These include sensors that can identify the motion of groups of molecules in biological materials, and the binding state of biomolecules without the use of chemical labels. The researchers also developed a THz microscope, and performed much basic research on signal processing and the properties of materials at THz frequencies.
These more fundamental activities pave the way to new practical applications for the last part of the spectrum.
Christian Nielsen | Quelle: alphagalileo
Weitere Informationen: cordis.europa.eu/ictresults
cordis.europa.eu/ictresults/index.cfm/section/news/tpl/article/BrowsingType/Features/ID/90252
Weitere Berichte zu: biological material > electromagnetic spectrum > genetic mutation > natural molecular vibrations > QCLs > Semiconductor > semiconductor device > smart security scanners > sperm cells > TeraNova > THz > Y chromosome
„All4Green“ – Rechnen, wenn der Wind bläst
24.05.2012 | Universität Mannheim
Komplexität beherrschen
23.05.2012 | Siemens AG
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten