Kutatók kifejlesztettek egy rendkívül vékony, integrált fotonikus áramkörrel ellátott chipet, amely felhasználható az úgynevezett terahertzes rés – az elektromágneses spektrum 0,3-30 THz között elhelyezkedő részén – kihasználására spektroszkópiai és képalkotási célokra.
Ez a rés jelenleg egyfajta technológiai holtzónának számít, olyan frekvenciákat ír le, amelyek túl gyorsak a mai elektronikai és telekommunikációs eszközök számára, de túl lassúak az optikai és képalkotó alkalmazásokhoz.
A tudósok új chipje azonban most lehetővé teszi számukra, hogy testreszabott frekvenciával, hullámhosszal, amplitúdóval és fázissal rendelkező terahertzes hullámokat állítsanak elő. Ez a precíz vezérlés lehetővé teheti a terahertzes sugárzás hasznosítását a következő generációs alkalmazásokban mind az elektronika, mind az optikai világban.
Az EPFL, az ETH Zürich és a Harvard Egyetem által végzett munka a ... folyóiratban jelent meg.Természetközvetítések.
Cristina Benea-Chelmus, aki az EPFL Műszaki Iskolájának Hibrid Fotonikai Laboratóriumában (HYLAB) vezette a kutatást, elmagyarázta, hogy bár a terahertzes hullámokat korábban is előállították laboratóriumi környezetben, a korábbi megközelítések elsősorban tömbi kristályokra támaszkodtak a megfelelő frekvenciák előállításához. Ehelyett a laboratóriumában a lítium-niobátból készült és a Harvard Egyetem munkatársai által nanométeres méretekben finoman maratott fotonikus áramkör használata sokkal egyszerűbb megközelítést tesz lehetővé. A szilícium hordozó használata a készüléket alkalmassá teszi elektronikus és optikai rendszerekbe való integrálásra is.
„A nagyon magas frekvenciájú hullámok generálása rendkívül kihívást jelent, és nagyon kevés technika létezik, amely egyedi mintázatokkal képes előállítani őket” – magyarázta. „Most már képesek vagyunk a terahertzes hullámok pontos időbeli alakját megtervezni – lényegében azt mondani, hogy »olyan hullámformát akarok, ami így néz ki«.”
Ennek elérése érdekében Benea-Chelmus laboratóriuma úgy tervezte meg a chip csatornáinak, az úgynevezett hullámvezetőknek az elrendezését, hogy mikroszkopikus antennák segítségével optikai szálakból származó fény által generált terahertzes hullámokat lehessen sugározni.
„Az a tény, hogy a készülékünk már szabványos optikai jelet használ, valóban előnyt jelent, mert ez azt jelenti, hogy ezek az új chipek hagyományos lézerekkel is használhatók, amelyek nagyon jól működnek és nagyon jól ismertek. Ez azt jelenti, hogy a készülékünk telekommunikációs kompatibilis” – hangsúlyozta Benea-Chelmus. Hozzátette, hogy a terahertzes tartományban jeleket küldő és fogadó miniatürizált eszközök kulcsszerepet játszhatnak a hatodik generációs mobilrendszerekben (6G).
Az optika világában Benea-Chelmus különös potenciált lát a miniatürizált lítium-niobát chipekben a spektroszkópia és a képalkotás területén. Amellett, hogy nem ionizálóak, a terahertzes hullámok sokkal alacsonyabb energiájúak, mint sok más hullámtípus (például a röntgensugarak), amelyeket jelenleg az anyagok összetételének – legyen szó csontról vagy olajfestményről – meghatározására használnak. Egy kompakt, roncsolásmentes eszköz, mint a lítium-niobát chip, ezért kevésbé invazív alternatívát kínálhat a jelenlegi spektrográfiai technikákkal szemben.
„Elképzelhetjük, hogy terahertzes sugárzást küldünk át egy minket érdeklő anyagon, és elemezzük azt, hogy megmérjük az anyag válaszát a molekulaszerkezetétől függően. Mindezt egy gyufaszálnál kisebb eszközzel” – mondta.
Benea-Chelmus ezután a chip hullámvezetőinek és antennáinak tulajdonságainak finomhangolására tervezi összpontosítani, hogy nagyobb amplitúdójú hullámformákat, finomabban hangolt frekvenciákat és bomlási sebességeket hozzon létre. Azt is látja, hogy a laboratóriumában kifejlesztett terahertzes technológia hasznos lehet a kvantumalkalmazásokban.
„Számos alapvető kérdés vár megválaszolásra; például az érdekel minket, hogy vajon használhatunk-e ilyen chipeket új típusú kvantumsugárzás előállítására, amelyek rendkívül rövid időskálákon manipulálhatók. A kvantumtudományban az ilyen hullámok felhasználhatók kvantumobjektumok irányítására” – összegezte.
Közzététel ideje: 2023. február 14.
