Дослідники розробили надзвичайно тонкий чіп з інтегрованою фотонною схемою, який можна використовувати для використання так званої терагерцової щілини – що лежить між 0,3-30 ТГц в електромагнітному спектрі – для спектроскопії та візуалізації.
Цей проміжок наразі є чимось на зразок технологічної мертвої зони, що описує частоти, які є занадто швидкими для сучасної електроніки та телекомунікаційних пристроїв, але занадто повільними для оптики та застосувань обробки зображень.
Однак, новий чіп вчених тепер дозволяє їм генерувати терагерцові хвилі з налаштованою частотою, довжиною хвилі, амплітудою та фазою. Таке точне керування може дозволити використовувати терагерцове випромінювання для застосувань наступного покоління як в електроніці, так і в оптиці.
Робота, проведена спільними зусиллями EPFL, ETH Zurich та Гарвардським університетом, була опублікована вПриродні комунікації.
Крістіна Бенеа-Челмус, яка керувала дослідженням у Лабораторії гібридної фотоніки (HYLAB) Інженерної школи EPFL, пояснила, що хоча терагерцові хвилі й раніше створювалися в лабораторних умовах, попередні підходи спиралися переважно на об'ємні кристали для генерації потрібних частот. Натомість, використання в її лабораторії фотонної схеми, виготовленої з ніобату літію та тонко протравленої в нанометровому масштабі співробітниками Гарвардського університету, забезпечує набагато більш спрощений підхід. Використання кремнієвої підкладки також робить пристрій придатним для інтеграції в електронні та оптичні системи.
«Генерація хвиль на дуже високих частотах є надзвичайно складною, і існує дуже мало методів, які можуть генерувати їх з унікальними візерунками», – пояснила вона. «Тепер ми можемо спроектувати точну часову форму терагерцових хвиль – по суті, сказати: «Я хочу, щоб форма хвилі виглядала ось так»».
Щоб досягти цього, лабораторія Бенеа-Челмус розробила розташування каналів чіпа, які називаються хвилеводами, таким чином, що мікроскопічні антени можна було б використовувати для трансляції терагерцових хвиль, що генеруються світлом з оптичних волокон.
«Те, що наш пристрій вже використовує стандартний оптичний сигнал, справді є перевагою, оскільки це означає, що ці нові чіпи можна використовувати з традиційними лазерами, які працюють дуже добре та добре вивчені. Це означає, що наш пристрій сумісний з телекомунікаціями», – наголосила Бенеа-Челмус. Вона додала, що мініатюрні пристрої, які надсилають та приймають сигнали в терагерцовому діапазоні, можуть відігравати ключову роль у мобільних системах шостого покоління (6G).
У світі оптики Бенеа-Челмус бачить особливий потенціал для мініатюрних чіпів з ніобату літію в спектроскопії та візуалізації. Окрім того, що терагерцові хвилі неіонізують, вони мають набагато нижчу енергію, ніж багато інших типів хвиль (таких як рентгенівські промені), які зараз використовуються для отримання інформації про склад матеріалу – будь то кістка чи картина олією. Компактний, неруйнівний пристрій, такий як чіп з ніобату літію, може таким чином забезпечити менш інвазивну альтернативу сучасним спектрографічним методам.
«Ви можете уявити собі, як пропускаєте терагерцове випромінювання через матеріал, який вас цікавить, та аналізуєте його, щоб виміряти реакцію матеріалу залежно від його молекулярної структури. І все це за допомогою пристрою, меншого за сірникову головку», – сказала вона.
Далі Бенеа-Челмус планує зосередитися на налаштуванні властивостей хвилеводів та антен чіпа для створення хвильових форм з більшою амплітудою, а також точнішою настройкою частот і швидкостей затухання. Вона також бачить потенціал у корисності терагерцової технології, розробленої в її лабораторії, для квантових застосувань.
«Є багато фундаментальних питань, на які потрібно відповісти; наприклад, нас цікавить, чи можемо ми використовувати такі чіпи для генерації нових типів квантового випромінювання, яким можна маніпулювати в надзвичайно короткі часові рамки. Такі хвилі в квантовій науці можна використовувати для керування квантовими об'єктами», – підсумувала вона.
Час публікації: 14 лютого 2023 р.
