Cercetătorii au dezvoltat un cip extrem de subțire cu un circuit fotonic integrat care ar putea fi utilizat pentru a exploata așa-numitul interval de terahertz – situat între 0,3-30 THz în spectrul electromagnetic – pentru spectroscopie și imagistică.
Această discrepanță este în prezent un fel de zonă inactivă din punct de vedere tehnologic, descriind frecvențe prea rapide pentru dispozitivele electronice și de telecomunicații de astăzi, dar prea lente pentru aplicațiile optice și de imagistică.
Cu toate acestea, noul cip al oamenilor de știință le permite acum să producă unde terahertz cu frecvență, lungime de undă, amplitudine și fază adaptate. Un astfel de control precis ar putea permite valorificarea radiației terahertz pentru aplicații de generație următoare, atât în domeniul electronic, cât și în cel optic.
Lucrarea, realizată între EPFL, ETH Zurich și Universitatea Harvard, a fost publicată înComunicații în natură.
Cristina Benea-Chelmus, care a condus cercetarea în Laboratorul de Fotonică Hibridă (HYLAB) de la Școala de Inginerie a EPFL, a explicat că, deși undele terahertz au fost produse și în laborator, abordările anterioare s-au bazat în principal pe cristale în vrac pentru a genera frecvențele corecte. În schimb, utilizarea în laboratorul ei a circuitului fotonic, realizat din niobat de litiu și gravat fin la scară nanometrică de către colaboratorii de la Universitatea Harvard, oferă o abordare mult mai eficientă. Utilizarea unui substrat de siliciu face, de asemenea, dispozitivul potrivit pentru integrarea în sisteme electronice și optice.
„Generarea de unde la frecvențe foarte înalte este extrem de dificilă și există foarte puține tehnici care le pot genera cu modele unice”, a explicat ea. „Acum suntem capabili să proiectăm forma temporală exactă a undelor de terahertz – să spunem, în esență, «Vreau o formă de undă care să arate așa».”
Pentru a realiza acest lucru, laboratorul lui Benea-Chelmus a proiectat aranjamentul de canale al cipului, numite ghiduri de undă, astfel încât antenele microscopice să poată fi utilizate pentru a transmite unde de terahertz generate de lumina provenită de la fibrele optice.
„Faptul că dispozitivul nostru utilizează deja un semnal optic standard este într-adevăr un avantaj, deoarece înseamnă că aceste noi cipuri pot fi utilizate cu lasere tradiționale, care funcționează foarte bine și sunt foarte bine înțelese. Aceasta înseamnă că dispozitivul nostru este compatibil cu telecomunicațiile”, a subliniat Benea-Chelmus. Ea a adăugat că dispozitivele miniaturizate care trimit și primesc semnale în gama terahertz ar putea juca un rol cheie în sistemele mobile de a șasea generație (6G).
În lumea opticii, Benea-Chelmus vede un potențial deosebit pentru cipurile miniaturizate de niobat de litiu în spectroscopie și imagistică. Pe lângă faptul că sunt neionizante, undele terahertz au o energie mult mai mică decât multe alte tipuri de unde (cum ar fi razele X) utilizate în prezent pentru a oferi informații despre compoziția unui material - fie că este vorba de un os sau de o pictură în ulei. Un dispozitiv compact, nedistructiv, precum cipul de niobat de litiu, ar putea oferi, prin urmare, o alternativă mai puțin invazivă la tehnicile spectrografice actuale.
„V-ați putea imagina trimiterea de radiații terahertz printr-un material care vă interesează și analizarea acestuia pentru a măsura răspunsul materialului, în funcție de structura sa moleculară. Toate acestea de la un dispozitiv mai mic decât un cap de chibrit”, a spus ea.
În continuare, Benea-Chelmus intenționează să se concentreze pe ajustarea proprietăților ghidurilor de undă și antenelor cipului pentru a proiecta forme de undă cu amplitudini mai mari și frecvențe și rate de descreștere mai fin reglate. De asemenea, ea vede potențialul ca tehnologia terahertz dezvoltată în laboratorul ei să fie utilă pentru aplicații cuantice.
„Există multe întrebări fundamentale de abordat; de exemplu, suntem interesați să aflăm dacă putem folosi astfel de cipuri pentru a genera noi tipuri de radiații cuantice care pot fi manipulate pe intervale de timp extrem de scurte. Astfel de unde în știința cuantică pot fi folosite pentru a controla obiectele cuantice”, a concluzionat ea.
Data publicării: 14 februarie 2023
