Výskumníci vyvinuli extrémne tenký čip s integrovaným fotonickým obvodom, ktorý by sa dal použiť na využitie takzvanej terahertzovej medzery – ležiacej medzi 0,3 a 30 THz v elektromagnetickom spektre – pre spektroskopiu a zobrazovanie.
Táto medzera je v súčasnosti akýmsi technologickým mŕtvym pásmom, ktoré opisuje frekvencie, ktoré sú príliš rýchle pre dnešné elektronické a telekomunikačné zariadenia, ale príliš pomalé pre optiku a zobrazovacie aplikácie.
Nový čip vedcov im však teraz umožňuje produkovať terahertzové vlny s prispôsobenou frekvenciou, vlnovou dĺžkou, amplitúdou a fázou. Takéto presné riadenie by mohlo umožniť využitie terahertzového žiarenia pre aplikácie novej generácie v elektronickej aj optickej oblasti.
Práca, ktorú vykonali EPFL, ETH Zurich a Harvardská univerzita, bola publikovaná v rokuPrírodná komunikácia.
Cristina Benea-Chelmus, ktorá viedla výskum v Laboratóriu hybridnej fotoniky (HYLAB) na Technickej fakulte EPFL, vysvetlila, že hoci terahertzové vlny boli v laboratórnom prostredí vytvorené už predtým, predchádzajúce prístupy sa spoliehali predovšetkým na objemové kryštály na generovanie správnych frekvencií. Namiesto toho jej laboratórium využíva fotonický obvod vyrobený z niobátu lítia a jemne leptaný v nanometrovej mierke spolupracovníkmi z Harvardskej univerzity, čo umožňuje oveľa efektívnejší prístup. Použitie kremíkového substrátu tiež robí zariadenie vhodným na integráciu do elektronických a optických systémov.
„Generovanie vĺn na veľmi vysokých frekvenciách je mimoriadne náročné a existuje len veľmi málo techník, ktoré ich dokážu generovať s jedinečnými vzormi,“ vysvetlila. „Teraz sme schopní vytvoriť presný časový tvar terahertzových vĺn – v podstate povedať: ‚Chcem tvar vlny, ktorý vyzerá takto.‘“
Aby sa to dosiahlo, laboratórium Benea-Chelmusovej navrhlo usporiadanie kanálov čipu, nazývaných vlnovody, takým spôsobom, že mikroskopické antény by sa mohli použiť na vysielanie terahertzových vĺn generovaných svetlom z optických vlákien.
„Skutočnosť, že naše zariadenie už využíva štandardný optický signál, je skutočne výhodou, pretože to znamená, že tieto nové čipy sa dajú použiť s tradičnými lasermi, ktoré fungujú veľmi dobre a sú veľmi dobre známe. Znamená to, že naše zariadenie je kompatibilné s telekomunikáciami,“ zdôraznila Benea-Chelmus. Dodala, že miniaturizované zariadenia, ktoré vysielajú a prijímajú signály v terahertzovom rozsahu, by mohli zohrávať kľúčovú úlohu v mobilných systémoch šiestej generácie (6G).
Vo svete optiky vidí Benea-Chelmus osobitný potenciál pre miniaturizované čipy z niobátu lítia v spektroskopii a zobrazovaní. Okrem toho, že sú neionizujúce, majú terahertzové vlny oveľa nižšiu energiu ako mnohé iné typy vĺn (ako napríklad röntgenové lúče), ktoré sa v súčasnosti používajú na poskytovanie informácií o zložení materiálu – či už ide o kosť alebo olejomaľbu. Kompaktné, nedeštruktívne zariadenie, ako je čip z niobátu lítia, by preto mohlo poskytnúť menej invazívnu alternatívu k súčasným spektrografickým technikám.
„Viete si predstaviť, že by ste cez materiál, ktorý vás zaujíma, vysielali terahertzové žiarenie a analyzovali ho, aby ste zmerali odozvu materiálu v závislosti od jeho molekulárnej štruktúry. To všetko zo zariadenia menšieho ako zápalková hlavička,“ povedala.
Benea-Chelmusová sa ďalej plánuje zamerať na úpravu vlastností vlnovodov a antén čipu s cieľom vytvoriť vlnové tvary s väčšími amplitúdami a jemnejšie ladenými frekvenciami a mierami rozpadu. Vidí tiež potenciál v terahertzovej technológii vyvinutej vo svojom laboratóriu, ktorá by mohla byť užitočná pre kvantové aplikácie.
„Je potrebné zodpovedať mnoho základných otázok; napríklad nás zaujíma, či dokážeme použiť takéto čipy na generovanie nových typov kvantového žiarenia, ktoré je možné manipulovať v extrémne krátkych časových intervaloch. Takéto vlny v kvantovej vede možno použiť na riadenie kvantových objektov,“ uzavrela.
Čas uverejnenia: 14. februára 2023
