Teadlased on välja töötanud äärmiselt õhukese kiibi integreeritud footonahelaga, mida saaks kasutada niinimetatud terahertsipilu – mis asub elektromagnetilises spektris 0,3–30 THz – ärakasutamiseks spektroskoopia ja pildistamise eesmärgil.
See lõhe on praegu omamoodi tehnoloogiline surnud tsoon, mis kirjeldab sagedusi, mis on tänapäeva elektroonika ja telekommunikatsiooniseadmete jaoks liiga kiired, kuid optika ja pilditöötlusrakenduste jaoks liiga aeglased.
Kuid teadlaste uus kiip võimaldab neil nüüd toota terahertsi laineid kohandatud sageduse, lainepikkuse, amplituudi ja faasiga. Selline täpne juhtimine võimaldaks terahertsi kiirgust rakendada järgmise põlvkonna rakendustes nii elektroonikas kui ka optikas.
EPFL-i, ETH Zürichi ja Harvardi Ülikooli koostöös läbi viidud töö on avaldatud ajakirjasLooduse kommunikatsioon.
EPFL-i insenerikooli hübriidfotoonika laboris (HYLAB) uurimistööd juhtinud Cristina Benea-Chelmus selgitas, et kuigi terahertslaineid on laboris varemgi tekitatud, on varasemad lähenemisviisid õigete sageduste genereerimiseks tuginenud peamiselt kristallidele. Selle asemel muudab tema laboris liitiumniobaadist valmistatud ja Harvardi ülikooli kaastöötajate poolt nanomeetri skaalal peenelt söövitatud footonahela kasutamine palju sujuvamaks lähenemisviisiks. Ränisubstraadi kasutamine muudab seadme sobivaks ka integreerimiseks elektroonilistesse ja optilistesse süsteemidesse.
„Väga kõrgetel sagedustel lainete genereerimine on äärmiselt keeruline ja on väga vähe tehnikaid, mis suudavad neid unikaalsete mustritega genereerida,“ selgitas ta. „Nüüd suudame terahertslainete täpset ajalist kuju konstrueerida – öelda sisuliselt: „Ma tahan lainekuju, mis näeb välja selline.““
Selle saavutamiseks kavandas Benea-Chelmuse labor kiibi kanalite, mida nimetatakse lainejuhtideks, paigutuse nii, et mikroskoopilisi antenne saaks kasutada optiliste kiudude valguse tekitatud terahertslainete edastamiseks.
„Asjaolu, et meie seade juba kasutab standardset optilist signaali, on tõesti eelis, sest see tähendab, et neid uusi kiipe saab kasutada traditsiooniliste laseritega, mis töötavad väga hästi ja on väga hästi mõistetavad. See tähendab, et meie seade on telekommunikatsiooniga ühilduv,“ rõhutas Benea-Chelmus. Ta lisas, et miniatuursed seadmed, mis saadavad ja võtavad vastu signaale terahertsi vahemikus, võivad mängida võtmerolli kuuenda põlvkonna mobiilsüsteemides (6G).
Optika maailmas näeb Benea-Chelmus miniatuursete liitiumniobaatkiipide potentsiaali spektroskoopias ja pildistamises. Lisaks mitteioniseerivale toimele on terahertslained palju madalama energiaga kui paljud muud tüüpi lained (näiteks röntgenikiirgus), mida praegu kasutatakse materjali koostise kohta teabe saamiseks – olgu see siis luu või õlimaal. Seega võiks kompaktne ja mittepurustav seade nagu liitiumniobaatkiip pakkuda vähem invasiivset alternatiivi praegustele spektrograafilistele tehnikatele.
„Võite ette kujutada terahertsi kiirguse saatmist läbi teid huvitava materjali ja selle analüüsimist, et mõõta materjali reaktsiooni, olenevalt selle molekulaarstruktuurist. Kõik see toimub seadmest, mis on väiksem kui tikupea,“ ütles ta.
Järgmisena plaanib Benea-Chelmus keskenduda kiibi lainejuhtide ja antennide omaduste muutmisele, et luua suurema amplituudiga lainekujusid ning peenemalt häälestatud sagedusi ja sumbumiskiirusi. Ta näeb ka potentsiaali, et tema laboris välja töötatud terahertsitehnoloogia oleks kasulik kvantrakendustes.
„Lahendada tuleb palju põhimõttelisi küsimusi; näiteks huvitab meid, kas saame selliseid kiipe kasutada uut tüüpi kvantkiirguse genereerimiseks, mida saab manipuleerida äärmiselt lühikese aja jooksul. Selliseid laineid kvantteaduses saab kasutada kvantobjektide juhtimiseks,“ järeldas ta.
Postituse aeg: 14. veebruar 2023
