| Referentie | Hertz (Hz) | Terahertz (THz) |
|---|---|---|
| European mains electricity | 50 Hz | 5 × 10-11 THz |
| Concert pitch A above middle C | 440 Hz | 4.4 × 10-10 THz |
| An FM radio station | 100000000 Hz | 0.0001 THz |
| A Wi-Fi band | 2.4 × 109 Hz | 0.0024 THz |
| A desktop processor clock | 3 × 109 Hz | 0.003 THz |
De hertz is de SI-eenheid van frequentie, gelijk aan één cyclus per seconde. Het symbool is Hz. Het is een afgeleide eenheid waarvan de dimensie eenvoudig één gedeeld door tijd is, zodat een grootheid in hertz telt hoe vaak iets zich in een seconde herhaalt.
Zij is genoemd naar Heinrich Hertz, die tussen 1886 en 1889 in het laboratorium radiogolven opwekte en aantoonde en zo Maxwells voorspelling bevestigde dat licht en elektromagnetische golven hetzelfde verschijnsel zijn. De eenheid werd in 1960 internationaal aangenomen en verving het oudere en letterlijkere cycli per seconde, dat op oude apparatuur nog wel eens te zien is.
Het geluid bezet het lage einde van de schaal. Het menselijk gehoor loopt van ongeveer 20 hertz tot 20 000 hertz, al daalt de bovengrens met de leeftijd en ligt zij op middelbare leeftijd meestal ruim onder 16 000 hertz. Muzikale toonhoogte is frequentie: de a boven de centrale c is bij afspraak vastgelegd op 440 hertz, en elk octaaf is een verdubbeling, zodat dezelfde noot een octaaf hoger 880 hertz is.
Het lichtnet wisselt met 50 hertz in het grootste deel van de wereld en met 60 hertz in Noord-Amerika en delen van Japan en Zuid-Amerika. De scheiding is historisch eerder dan technisch, komt uit concurrerende apparatuurnormen van het eind van de negentiende eeuw, en verklaart waarom apparaten en klokken die van de netfrequentie afhangen niet zomaar tussen regio's kunnen verhuizen.
Schermen en informatica gebruiken haar voortdurend. Een beeldscherm dat met 60 hertz ververst tekent zich zestig keer per seconde opnieuw, en hogere frequenties verminderen zichtbare bewegingsonscherpte. Kloksnelheden van processors, ooit in megahertz en nu in gigahertz, tellen hetzelfde: hoe vaak per seconde de inwendige klok tikt.
De eenheid geldt bovendien voor alles wat periodiek is zonder een golf te zijn. Een hartslag van 60 slagen per minuut is één hertz, een slinger met een periode van één seconde zwaait met één hertz, en de frequentie van een draaiende as in omwentelingen per seconde wordt op dezelfde wijze uitgedrukt.
Eén hertz is gelijk aan één cyclus per seconde, 1000 millihertz of een duizendste kilohertz.
De terahertz is een frequentie-eenheid gelijk aan duizend miljard hertz. Het symbool is THz. Zij beslaat de kloof tussen de hoogste radiofrequenties en het laagste infrarode licht, een gebied dat het grootste deel van de twintigste eeuw zo moeilijk op te wekken of aan te tonen was dat het de terahertzkloof werd genoemd.
De moeilijkheid was praktisch en niet theoretisch. Elektronische oscillatoren raken boven enkele honderden gigahertz uitgeput omdat de ladingdragers niet snel genoeg reageren, terwijl optische bronnen zoals lasers onder het infrarood aan rendement verliezen. De band ertussen had aan geen van beide zijden een handige techniek en bleef decennialang het minst verkende deel van het elektromagnetisch spectrum.
Dat veranderde met ultrasnelle lasers en fotogeleidende antennes, die terahertzpulsen opwekken door een halfgeleider te belichten met een laserpuls van enkele femtoseconden. Terahertzspectroscopie in het tijdsdomein meet nu de respons van materialen over de hele band, en de techniek is een gangbaar gereedschap in de materiaalkunde geworden.
Veiligheidscontrole is de bekendste toepassing. Terahertzstraling gaat door kleding, papier, kunststof en keramiek maar wordt door metaal tegengehouden en door water opgenomen, en haar energie per foton is veel te laag om iets te ioniseren, zodat zij verborgen voorwerpen kan afbeelden zonder de risico's van röntgenstraling. Lichaamsscanners op luchthavens werken op dit beginsel.
De molecuulspectroscopie gebruikt de band omdat veel grote moleculen hier rotatie- en trillingstoestanden bezitten. Springstoffen en drugs vertonen kenmerkende terahertzsignaturen, en de techniek dient in de farmaceutische kwaliteitscontrole om kristalvormen te onderscheiden die andere methoden identiek maken. Kunstconservering past haar toe om onder verflagen te kijken zonder een doek aan te raken.
De sterrenkunde neemt bij deze frequenties waar vanaf hoge, droge plaatsen of vanuit een baan, omdat waterdamp in de atmosfeer terahertzstraling sterk opneemt. Koud stof en moleculair gas in stervormingsgebieden stralen hier, en daarom worden sterrenwachten op grote hoogte in Chili en op de zuidpool gebouwd.
Het communicatieonderzoek is de band beginnen binnen te dringen. Gegevenssnelheden groeien met de beschikbare bandbreedte, en boven 100 gigahertz is veel meer plaats dan eronder, dus laboratoria hebben draadloze verbindingen getoond die bij frequenties nabij één terahertz honderden gigabits per seconde dragen. Het beletsel is dat waterdamp deze golven sterk opslorpt, wat een verbinding bij heldere lucht tot enkele honderden meters beperkt en bij regen tot veel minder. Dat bindt de techniek aan korte sprongen: verbindingen tussen dakantennes, trajecten binnen een datacentrum, of het laatste stuk tussen een lantaarnpaal en een gebouw, en niets wat op een omroepuitzending lijkt.
Eén terahertz is gelijk aan duizend miljard hertz, 1000 gigahertz of een golflengte van ongeveer 0,3 millimeter.