Omvandling från Terahertz till Mikrohertz

Information om Terahertz (THz)

Terahertzen är en frekvensenhet som motsvarar tusen miljarder hertz. Beteckningen är THz. Den upptar gapet mellan de högsta radiofrekvenserna och det lägsta infraröda ljuset, ett område som under större delen av nittonhundratalet var så svårt att alstra eller påvisa att det kallades terahertzgapet.

Svårigheten var praktisk och inte teoretisk. Elektroniska oscillatorer tar slut ovanför några hundra gigahertz eftersom laddningsbärarna inte hinner svara, medan optiska källor som lasrar tappar verkningsgrad under det infraröda. Bandet däremellan hade ingen bekväm teknik på någondera sidan och förblev i decennier den minst utforskade delen av det elektromagnetiska spektrumet.

Det ändrades med ultrasnabba lasrar och fotoledande antenner, som alstrar terahertzpulser genom att belysa en halvledare med en laserpuls på några femtosekunder. Terahertzspektroskopi i tidsdomänen mäter i dag materialens svar över hela bandet, och tekniken har blivit ett gängse verktyg inom materialvetenskapen.

Säkerhetskontroll är den mest kända tillämpningen. Terahertzstrålning går genom kläder, papper, plast och keramik men stoppas av metall och sugs upp av vatten, och dess energi per foton är alldeles för låg för att jonisera något, så den kan avbilda dolda föremål utan röntgenstrålningens risker. Kroppsskannrar på flygplatser bygger på den principen.

Molekylspektroskopin använder bandet därför att många stora molekyler har rotations- och vibrationstillstånd här. Sprängämnen och narkotika har utmärkande terahertzsignaturer, och tekniken används i läkemedelsindustrins kvalitetskontroll för att skilja kristallformer som andra metoder gör identiska. Konstkonservering tillämpar den för att se under färgskikt utan att röra en duk.

Astronomin observerar vid dessa frekvenser från höga, torra platser eller från omloppsbana, eftersom atmosfärens vattenånga suger upp terahertzstrålning kraftigt. Kallt stoft och molekylgas i stjärnbildningsområden strålar här, och därför byggs observatorier på hög höjd i Chile och vid sydpolen.

Kommunikationsforskningen har börjat tränga in i bandet. Datatakter växer med tillgänglig bandbredd, och ovanför 100 gigahertz finns långt mer utrymme än därunder, så laboratorier har visat trådlösa länkar som bär hundratals gigabit i sekunden vid frekvenser nära en terahertz. Hindret är att vattenånga starkt suger upp dessa vågor och begränsar en länk till några hundra meter i klar luft och till betydligt mindre i regn. Det binder tekniken vid korta språng: förbindelser mellan takantenner, länkar inne i ett datacenter, eller sista sträckan mellan en lyktstolpe och en byggnad, och inte något som liknar en rundradiosändning.

En terahertz motsvarar tusen miljarder hertz, 1000 gigahertz eller en våglängd på ungefär 0,3 millimeter.

Information om Mikrohertz (µHz)

Mikrohertzen är en frekvensenhet som motsvarar en miljondels hertz. Beteckningen är µHz. En mikrohertz är en cykel per miljon sekunder, drygt elva och ett halvt dygn, så enheten mäter företeelser som återkommer på veckors, månaders eller års skala.

Asteroseismologin är där den används mest. Stjärnor svänger, och frekvenserna hos dessa svängningar beror av deras inre uppbyggnad på samma sätt som en klockas tonhöjd beror av form och godstjocklek. Solliknande stjärnor klingar vid några tusen mikrohertz, röda jättar vid några tiotal och de största utvecklade stjärnorna under ett. Rymdteleskop som Kepler och TESS mätte dessa frekvenser för hundratusentals stjärnor genom att se deras ljusstyrka variera med några miljondelar.

Tekniken ger storheter som ingen annan metod kan lämna. Ur svängningsspektrum härleder en astronom en stjärnas massa, radie och ålder, och en stjärnas ålder är annars nästan omöjlig att bestämma. Det är så åldrarna hos planetbärande stjärnor, och därmed hos deras planetsystem, i dag fastställs.

Även gravitationsvågsastronomin har gjort anspråk på bandet. Det planerade rymdobservatoriet LISA ska bli känsligt mellan ungefär 100 mikrohertz och en hertz, ett område som rymmer sammansmältande supermassiva svarta hål och de många tusen tätt liggande dubbelvita dvärgarna i vår egen galax. Markbundna detektorer når inte dessa frekvenser eftersom seismiskt brus dränker dem.

Geofysiken använder enheten för de långsammaste tidvattenkomponenterna, däribland de fjortondagars och månatliga måntidvattnen och de halvårs- och årsvisa soltidvattnen, som tillsammans ger de långperiodiska variationer som tidvattenprognoser måste räkna med. Poljorden, vaggandet hos jordens rotationsaxel, har en period på fjorton månader vilket motsvarar omkring 0,8 mikrohertz.

Klimat- och havsvetenskapen når ännu lägre. El Niño-södra oscillationen återkommer oregelbundet vartannat till vart sjunde år, långt under en hundradels mikrohertz, och långa iskärnor upplöser ännu långsammare cykler.

Jorden själv ger ett läroboksexempel. Dess rotationsaxel vandrar i en liten cirkel med en period på omkring 433 dygn, den Chandlerska vaggningen som upptäcktes 1891, vilket är en frekvens på ungefär 0,027 mikrohertz. Att påvisa den krävde årtionden av positionsastronomi, ty en så långsam signal kan skiljas från driften bara genom att många cykler iakttas. Det är bandets allmänna villkor: en mätning vid en mikrohertz kräver en registrering på minst några miljoner sekunder, helst några tiotals miljoner, så instrument måste vara stabila i åratal innan deras data kan läsas. Enheten hör därför till de tålmodiga vetenskaperna och inte till de snabba.

En mikrohertz motsvarar 0,000001 hertz, en cykel per miljon sekunder eller 1000 nanohertz.