Naukowcy opracowali niezwykle cienki układ scalony ze zintegrowanym obwodem fotonicznym, który może posłużyć do wykorzystania tzw. przerwy terahercowej – mieszczącej się w zakresie 0,3–30 THz w widmie elektromagnetycznym – do celów spektroskopii i obrazowania.
Obecnie luka ta stanowi swego rodzaju technologiczną martwą strefę, opisującą częstotliwości, które są zbyt szybkie dla dzisiejszych urządzeń elektronicznych i telekomunikacyjnych, ale zbyt wolne dla zastosowań optycznych i obrazowych.
Jednak nowy chip naukowców pozwala im teraz wytwarzać fale terahercowe o dostosowanej częstotliwości, długości fali, amplitudzie i fazie. Taka precyzyjna kontrola może umożliwić wykorzystanie promieniowania terahercowego do zastosowań nowej generacji zarówno w elektronice, jak i optyce.
Praca, prowadzona wspólnie przez EPFL, ETH Zurich i Uniwersytet Harvarda, została opublikowana wKomunikacja przyrodnicza.
Cristina Benea-Chelmus, która kierowała badaniami w Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) w School of Engineering EPFL, wyjaśniła, że podczas gdy fale terahercowe były już wcześniej wytwarzane w warunkach laboratoryjnych, wcześniejsze podejścia polegały głównie na kryształach masowych w celu generowania odpowiednich częstotliwości. Zamiast tego, wykorzystanie przez jej laboratorium obwodu fotonicznego, wykonanego z niobianu litu i drobno wytrawionego w skali nanometrowej przez współpracowników z Harvard University, zapewnia znacznie bardziej usprawnione podejście. Zastosowanie podłoża krzemowego sprawia również, że urządzenie nadaje się do integracji z systemami elektronicznymi i optycznymi.
„Generowanie fal o bardzo wysokich częstotliwościach jest niezwykle trudne i istnieje bardzo niewiele technik, które mogą generować je z unikalnymi wzorcami” – wyjaśniła. „Jesteśmy teraz w stanie zaprojektować dokładny kształt czasowy fal terahercowych – mówiąc w zasadzie: „Chcę, aby fala wyglądała tak”.
Aby to osiągnąć, laboratorium Benea-Chelmusa zaprojektowało układ kanałów układu scalonego, zwany falowodami, w taki sposób, aby mikroskopijne anteny mogły być używane do transmisji fal terahercowych generowanych przez światło z włókien optycznych.
„Fakt, że nasze urządzenie już wykorzystuje standardowy sygnał optyczny, jest naprawdę zaletą, ponieważ oznacza to, że te nowe chipy mogą być używane z tradycyjnymi laserami, które działają bardzo dobrze i są bardzo dobrze znane. Oznacza to, że nasze urządzenie jest kompatybilne z telekomunikacją” – podkreśliła Benea-Chelmus. Dodała, że zminiaturyzowane urządzenia wysyłające i odbierające sygnały w zakresie terahercowym mogą odegrać kluczową rolę w systemach mobilnych szóstej generacji (6G).
W świecie optyki Benea-Chelmus widzi szczególny potencjał dla zminiaturyzowanych chipów z niobianu litu w spektroskopii i obrazowaniu. Oprócz tego, że fale terahercowe są niejonizujące, mają one znacznie niższą energię niż wiele innych rodzajów fal (takich jak promienie rentgenowskie) obecnie używanych do dostarczania informacji o składzie materiału – czy to kości, czy obrazu olejnego. Kompaktowe, nieniszczące urządzenie, takie jak chip z niobianu litu, mogłoby zatem stanowić mniej inwazyjną alternatywę dla obecnych technik spektrograficznych.
„Można sobie wyobrazić przesyłanie promieniowania terahercowego przez interesujący nas materiał i analizowanie go w celu zmierzenia reakcji materiału, w zależności od jego struktury molekularnej. Wszystko to z urządzenia mniejszego niż główka zapałki” – powiedziała.
Następnie Benea-Chelmus planuje skupić się na dopracowaniu właściwości falowodów i anten układu, aby konstruować przebiegi o większych amplitudach i precyzyjniej dostrojonych częstotliwościach i szybkościach zaniku. Widzi również potencjał technologii terahercowej opracowanej w jej laboratorium do wykorzystania w zastosowaniach kwantowych.
„Jest wiele fundamentalnych pytań, którymi należy się zająć; na przykład interesuje nas, czy możemy użyć takich chipów do generowania nowych typów promieniowania kwantowego, którym można manipulować w ekstremalnie krótkich skalach czasowych. Takie fale w nauce kwantowej mogą być używane do kontrolowania obiektów kwantowych” – podsumowała.
Czas publikacji: 14-02-2023
