Pētnieki ir izstrādājuši ārkārtīgi plānu mikroshēmu ar integrētu fotonisko shēmu, ko varētu izmantot, lai spektroskopijai un attēlveidošanai izmantotu tā saukto terahercu spraugu, kas atrodas elektromagnētiskajā spektrā starp 0,3 un 30 THz.
Šī plaisa pašlaik ir sava veida tehnoloģiska mirušā zona, kas raksturo frekvences, kas ir pārāk ātras mūsdienu elektronikas un telekomunikāciju ierīcēm, bet pārāk lēnas optikai un attēlveidošanas lietojumprogrammām.
Tomēr zinātnieku jaunā mikroshēma tagad ļauj viņiem radīt terahercu viļņus ar pielāgotu frekvenci, viļņa garumu, amplitūdu un fāzi. Šāda precīza kontrole varētu ļaut izmantot terahercu starojumu nākamās paaudzes lietojumos gan elektronikā, gan optiskajā jomā.
EPFL, ETH Cīrihes un Hārvarda Universitātes veiktais darbs ir publicēts žurnālāDabas komunikācijas.
Kristīna Benea-Čelmusa, kura vadīja pētījumu EPFL Inženierzinātņu skolas Hibrīda fotonikas laboratorijā (HYLAB), paskaidroja, ka, lai gan terahercu viļņi laboratorijas apstākļos ir radīti arī iepriekš, iepriekšējās pieejas galvenokārt balstījās uz masveida kristāliem, lai ģenerētu pareizās frekvences. Tā vietā viņas laboratorijā izmantotā fotoniskā shēma, kas izgatavota no litija niobāta un smalki iegravēta nanometru mērogā, ko veikuši Hārvardas Universitātes līdzstrādnieki, nodrošina daudz vienkāršāku pieeju. Silīcija substrāta izmantošana padara ierīci piemērotu integrācijai elektroniskās un optiskās sistēmās.
“Viļņu ģenerēšana ļoti augstās frekvencēs ir ārkārtīgi sarežģīta, un ir ļoti maz metožu, kas var ģenerēt tos ar unikāliem modeļiem,” viņa paskaidroja. “Tagad mēs spējam precīzi noteikt terahercu viļņu laika formu — būtībā pateikt: “Es vēlos viļņu formu, kas izskatās šādi.””
Lai to panāktu, Benea-Chelmus laboratorija izstrādāja mikroshēmas kanālu izvietojumu, ko sauc par viļņvadiem, tādā veidā, ka mikroskopiskās antenas varētu izmantot terahercu viļņu pārraidīšanai, ko rada optisko šķiedru gaisma.
“Tas, ka mūsu ierīce jau izmanto standarta optisko signālu, patiešām ir priekšrocība, jo tas nozīmē, ka šīs jaunās mikroshēmas var izmantot ar tradicionālajiem lāzeriem, kas darbojas ļoti labi un ir ļoti labi izprasti. Tas nozīmē, ka mūsu ierīce ir saderīga ar telekomunikācijām,” uzsvēra Benea-Čelmusa. Viņa piebilda, ka miniaturizētām ierīcēm, kas sūta un saņem signālus terahercu diapazonā, varētu būt galvenā loma sestās paaudzes mobilo sakaru sistēmās (6G).
Optikas pasaulē Benea-Chelmus saskata īpašu potenciālu miniaturizētām litija niobāta mikroshēmām spektroskopijā un attēlveidošanā. Papildus tam, ka terahercu viļņi nav jonizējoši, tiem ir daudz zemāka enerģija nekā daudziem citiem viļņu veidiem (piemēram, rentgena stariem), ko pašlaik izmanto, lai sniegtu informāciju par materiāla sastāvu – neatkarīgi no tā, vai tas ir kauls vai eļļas glezna. Tāpēc kompakta, nesagraujoša ierīce, piemēram, litija niobāta mikroshēma, varētu nodrošināt mazāk invazīvu alternatīvu pašreizējām spektrogrāfiskajām metodēm.
“Jūs varētu iedomāties terahercu starojuma sūtīšanu caur materiālu, kas jūs interesē, un tā analīzi, lai izmērītu materiāla reakciju atkarībā no tā molekulārās struktūras. Tas viss no ierīces, kas ir mazāka par sērkociņa galviņu,” viņa teica.
Tālāk Benea-Chelmus plāno koncentrēties uz mikroshēmas viļņvadu un antenu īpašību uzlabošanu, lai izveidotu viļņu formas ar lielāku amplitūdu un precīzāk noregulētām frekvencēm un sabrukšanas ātrumiem. Viņa arī saskata potenciālu, ka viņas laboratorijā izstrādātā terahercu tehnoloģija varētu būt noderīga kvantu lietojumprogrammās.
"Ir jārisina daudzi fundamentāli jautājumi; piemēram, mūs interesē, vai mēs varam izmantot šādas mikroshēmas, lai ģenerētu jauna veida kvantu starojumu, ko var manipulēt ārkārtīgi īsā laika posmā. Šādus viļņus kvantu zinātnē var izmantot, lai kontrolētu kvantu objektus," viņa secināja.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 14. februāris
