Ερευνητές ανέπτυξαν ένα εξαιρετικά λεπτό τσιπ με ενσωματωμένο φωτονικό κύκλωμα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αξιοποίηση του λεγόμενου χάσματος terahertz - που βρίσκεται μεταξύ 0,3-30 THz στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα - για φασματοσκοπία και απεικόνιση.
Αυτό το κενό αποτελεί προς το παρόν κάτι σαν τεχνολογική νεκρή ζώνη, περιγράφοντας συχνότητες που είναι πολύ γρήγορες για τις σημερινές ηλεκτρονικές και τηλεπικοινωνιακές συσκευές, αλλά πολύ αργές για εφαρμογές οπτικής και απεικόνισης.
Ωστόσο, το νέο τσιπ των επιστημόνων τους επιτρέπει πλέον να παράγουν κύματα terahertz με προσαρμοσμένη συχνότητα, μήκος κύματος, πλάτος και φάση. Αυτός ο ακριβής έλεγχος θα μπορούσε να επιτρέψει την αξιοποίηση της ακτινοβολίας terahertz για εφαρμογές επόμενης γενιάς τόσο στον ηλεκτρονικό όσο και στον οπτικό τομέα.
Η εργασία, που διεξήχθη μεταξύ του EPFL, του ETH Zurich και του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, έχει δημοσιευτεί στοΕπικοινωνίες Φύσης.
Η Cristina Benea-Chelmus, η οποία ηγήθηκε της έρευνας στο Εργαστήριο Υβριδικής Φωτονικής (HYLAB) στη Σχολή Μηχανικών του EPFL, εξήγησε ότι ενώ κύματα terahertz έχουν παραχθεί σε εργαστηριακό περιβάλλον στο παρελθόν, οι προηγούμενες προσεγγίσεις βασίζονταν κυρίως σε κρυστάλλους χύδην για τη δημιουργία των σωστών συχνοτήτων. Αντ' αυτού, η χρήση του φωτονικού κυκλώματος στο εργαστήριό της, κατασκευασμένου από νιοβικό λίθιο και χαραγμένου με λεπτό τρόπο σε νανομετρική κλίμακα από συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, καθιστά μια πολύ πιο απλοποιημένη προσέγγιση. Η χρήση ενός υποστρώματος πυριτίου καθιστά επίσης τη συσκευή κατάλληλη για ενσωμάτωση σε ηλεκτρονικά και οπτικά συστήματα.
«Η δημιουργία κυμάτων σε πολύ υψηλές συχνότητες είναι εξαιρετικά δύσκολη και υπάρχουν πολύ λίγες τεχνικές που μπορούν να τα δημιουργήσουν με μοναδικά μοτίβα», εξήγησε. «Είμαστε πλέον σε θέση να σχεδιάσουμε το ακριβές χρονικό σχήμα των κυμάτων terahertz - για να πούμε ουσιαστικά, "Θέλω μια κυματομορφή που να μοιάζει με αυτό"».
Για να το πετύχει αυτό, το εργαστήριο του Benea-Chelmus σχεδίασε τη διάταξη των καναλιών του τσιπ, που ονομάζονται κυματοδηγοί, με τέτοιο τρόπο ώστε μικροσκοπικές κεραίες να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκπομπή κυμάτων terahertz που παράγονται από το φως από οπτικές ίνες.
«Το γεγονός ότι η συσκευή μας χρησιμοποιεί ήδη ένα τυπικό οπτικό σήμα είναι πραγματικά ένα πλεονέκτημα, επειδή σημαίνει ότι αυτά τα νέα τσιπ μπορούν να χρησιμοποιηθούν με παραδοσιακά λέιζερ, τα οποία λειτουργούν πολύ καλά και είναι πολύ καλά κατανοητά. Αυτό σημαίνει ότι η συσκευή μας είναι συμβατή με τις τηλεπικοινωνίες», τόνισε η Benea-Chelmus. Πρόσθεσε ότι οι μικροσκοπικές συσκευές που στέλνουν και λαμβάνουν σήματα στην περιοχή των terahertz θα μπορούσαν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στα κινητά συστήματα έκτης γενιάς (6G).
Στον κόσμο της οπτικής, η Benea-Chelmus βλέπει ιδιαίτερο δυναμικό για μικροσκοπικά τσιπ νιοβικού λιθίου στη φασματοσκοπία και την απεικόνιση. Εκτός του ότι δεν είναι ιονίζοντα, τα κύματα terahertz έχουν πολύ χαμηλότερη ενέργεια από πολλά άλλα είδη κυμάτων (όπως οι ακτίνες Χ) που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παροχή πληροφοριών σχετικά με τη σύνθεση ενός υλικού - είτε πρόκειται για οστό είτε για ελαιογραφία. Μια συμπαγής, μη καταστροφική συσκευή όπως το τσιπ νιοβικού λιθίου θα μπορούσε επομένως να προσφέρει μια λιγότερο επεμβατική εναλλακτική λύση στις τρέχουσες φασματογραφικές τεχνικές.
«Θα μπορούσατε να φανταστείτε την αποστολή ακτινοβολίας terahertz μέσω ενός υλικού που σας ενδιαφέρει και την ανάλυσή του για να μετρήσετε την απόκριση του υλικού, ανάλογα με τη μοριακή του δομή. Όλα αυτά από μια συσκευή μικρότερη από μια κεφαλή σπίρτου», είπε.
Στη συνέχεια, η Benea-Chelmus σχεδιάζει να επικεντρωθεί στην τροποποίηση των ιδιοτήτων των κυματοδηγών και των κεραιών του τσιπ για να σχεδιάσει κυματομορφές με μεγαλύτερα πλάτη και πιο λεπτομερώς συντονισμένες συχνότητες και ρυθμούς απόσβεσης. Βλέπει επίσης δυνατότητες η τεχνολογία terahertz που αναπτύχθηκε στο εργαστήριό της να είναι χρήσιμη για κβαντικές εφαρμογές.
«Υπάρχουν πολλά θεμελιώδη ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν. Για παράδειγμα, μας ενδιαφέρει το αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τέτοια τσιπ για να δημιουργήσουμε νέους τύπους κβαντικής ακτινοβολίας που μπορούν να χειραγωγηθούν σε εξαιρετικά σύντομα χρονικά διαστήματα. Τέτοια κύματα στην κβαντική επιστήμη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο κβαντικών αντικειμένων», κατέληξε.
Ώρα δημοσίευσης: 14 Φεβρουαρίου 2023
