Raziskovalci so razvili izjemno tanek čip z integriranim fotonskim vezjem, ki bi ga lahko uporabili za izkoriščanje tako imenovane teraherčne vrzeli – ki leži med 0,3 in 30 THz v elektromagnetnem spektru – za spektroskopijo in slikanje.
Ta vrzel je trenutno nekakšna tehnološka mrtva cona, ki opisuje frekvence, ki so prehitre za današnje elektronske in telekomunikacijske naprave, a prepočasne za optiko in slikovne aplikacije.
Vendar pa znanstvenikom novi čip zdaj omogoča ustvarjanje teraherčnih valov s prilagojeno frekvenco, valovno dolžino, amplitudo in fazo. Takšen natančen nadzor bi lahko omogočil izkoriščanje teraherčnega sevanja za aplikacije naslednje generacije tako v elektroniki kot v optiki.
Delo, ki so ga opravili EPFL, ETH Zurich in Univerza Harvard, je bilo objavljeno leta ...Naravne komunikacije.
Cristina Benea-Chelmus, ki je vodila raziskavo v Laboratoriju za hibridno fotoniko (HYLAB) na Inženirski fakulteti EPFL, je pojasnila, da so teraherčni valovi sicer že bili ustvarjeni v laboratorijskem okolju, vendar so se prejšnji pristopi za generiranje pravih frekvenc zanašali predvsem na kristale v razsutem stanju. Namesto tega uporaba fotonskega vezja v njenem laboratoriju, izdelanega iz litijevega niobata in fino jedkanega v nanometrski lestvici s strani sodelavcev na Univerzi Harvard, omogoča veliko bolj poenostavljen pristop. Uporaba silicijeve podlage naredi napravo primerno tudi za integracijo v elektronske in optične sisteme.
»Ustvarjanje valov pri zelo visokih frekvencah je izjemno zahtevno in obstaja zelo malo tehnik, ki jih lahko ustvarijo z edinstvenimi vzorci,« je pojasnila. »Zdaj smo sposobni natančno določiti časovno obliko teraherčnih valov – v bistvu reči: 'Želim valovno obliko, ki je videti takole.'«
Da bi to dosegli, je laboratorij Benea-Chelmus zasnoval razporeditev kanalov čipa, imenovanih valovodi, tako da bi se mikroskopske antene lahko uporabljale za oddajanje teraherčnih valov, ki jih ustvarja svetloba iz optičnih vlaken.
»Dejstvo, da naša naprava že uporablja standardni optični signal, je resnično prednost, saj pomeni, da se ti novi čipi lahko uporabljajo s tradicionalnimi laserji, ki delujejo zelo dobro in so zelo dobro razumljeni. To pomeni, da je naša naprava telekomunikacijsko združljiva,« je poudarila Benea-Chelmus. Dodala je, da bi lahko miniaturizirane naprave, ki pošiljajo in sprejemajo signale v teraherčnem območju, igrale ključno vlogo v mobilnih sistemih šeste generacije (6G).
V svetu optike Benea-Chelmus vidi poseben potencial za miniaturizirane litijevo-niobatne čipe v spektroskopiji in slikanju. Poleg tega, da niso ionizirajoči, imajo teraherčni valovi veliko nižjo energijo kot mnoge druge vrste valov (kot so rentgenski žarki), ki se trenutno uporabljajo za zagotavljanje informacij o sestavi materiala – pa naj gre za kost ali oljno sliko. Kompaktna, nedestruktivna naprava, kot je litijevo-niobatni čip, bi zato lahko ponudila manj invazivno alternativo trenutnim spektrografskim tehnikam.
»Lahko si predstavljate, da pošiljate teraherčno sevanje skozi material, ki vas zanima, in ga analizirate, da izmerite odziv materiala, odvisno od njegove molekularne strukture. Vse to z napravo, manjšo od glave vžigalice,« je dejala.
Benea-Chelmusova namerava nato osredotočiti na prilagajanje lastnosti valovodov in anten čipa za ustvarjanje valovnih oblik z večjimi amplitudami ter natančneje nastavljenimi frekvencami in stopnjami upadanja. Prav tako vidi potencial, da bi bila teraherčna tehnologija, razvita v njenem laboratoriju, uporabna za kvantne aplikacije.
»Obravnavati je treba veliko temeljnih vprašanj; zanima nas na primer, ali lahko s takimi čipi ustvarimo nove vrste kvantnega sevanja, ki jih je mogoče manipulirati v izjemno kratkih časovnih okvirih. Takšne valove v kvantni znanosti je mogoče uporabiti za nadzor kvantnih objektov,« je zaključila.
Čas objave: 14. februar 2023
