Forskere har utviklet en ekstremt tynn brikke med en integrert fotonisk krets som kan brukes til å utnytte det såkalte terahertz-gapet – som ligger mellom 0,3–30 THz i det elektromagnetiske spekteret – til spektroskopi og avbildning.
Dette gapet er for tiden en slags teknologisk dødsone, og beskriver frekvenser som er for raske for dagens elektronikk- og telekommunikasjonsenheter, men for trege for optikk- og bildebehandlingsapplikasjoner.
Forskernes nye brikke lar dem imidlertid produsere terahertz-bølger med skreddersydd frekvens, bølgelengde, amplitude og fase. Slik presis kontroll kan gjøre det mulig å utnytte terahertz-stråling til neste generasjons applikasjoner innen både elektronisk og optisk teknologi.
Arbeidet, som ble utført mellom EPFL, ETH Zürich og University of Harvard, har blitt publisert iNaturkommunikasjon.
Cristina Benea-Chelmus, som ledet forskningen ved Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) ved EPFLs School of Engineering, forklarte at selv om terahertz-bølger har blitt produsert i et laboratorium før, har tidligere tilnærminger hovedsakelig vært avhengige av bulkkrystaller for å generere de riktige frekvensene. I stedet gir laboratoriets bruk av den fotoniske kretsen, laget av litiumniobat og fint etset på nanometerskala av samarbeidspartnere ved Harvard University, en mye mer strømlinjeformet tilnærming. Bruken av et silisiumsubstrat gjør også enheten egnet for integrering i elektroniske og optiske systemer.
«Det er ekstremt utfordrende å generere bølger ved svært høye frekvenser, og det finnes svært få teknikker som kan generere dem med unike mønstre», forklarte hun. «Vi er nå i stand til å konstruere den nøyaktige tidsmessige formen til terahertz-bølger – for å si i bunn og grunn: 'Jeg vil ha en bølgeform som ser slik ut.'»
For å oppnå dette designet Benea-Chelmus' laboratorium brikkens arrangement av kanaler, kalt bølgeledere, på en slik måte at mikroskopiske antenner kunne brukes til å kringkaste terahertz-bølger generert av lys fra optiske fibre.
«Det at enheten vår allerede bruker et standard optisk signal er virkelig en fordel, fordi det betyr at disse nye brikkene kan brukes med tradisjonelle lasere, som fungerer veldig bra og er godt forstått. Det betyr at enheten vår er telekommunikasjonskompatibel», understreket Benea-Chelmus. Hun la til at miniatyriserte enheter som sender og mottar signaler i terahertz-området kan spille en nøkkelrolle i sjette generasjons mobilsystemer (6G).
Innen optikkens verden ser Benea-Chelmus et spesielt potensial for miniatyriserte litiumniobatbrikker innen spektroskopi og avbildning. I tillegg til å være ikke-ioniserende, har terahertz-bølger mye lavere energi enn mange andre typer bølger (som røntgenstråler) som for tiden brukes til å gi informasjon om sammensetningen av et materiale – enten det er et bein eller et oljemaleri. En kompakt, ikke-destruktiv enhet som litiumniobatbrikken kan derfor gi et mindre invasivt alternativ til dagens spektrografiske teknikker.
«Du kan tenke deg å sende terahertz-stråling gjennom et materiale du er interessert i og analysere det for å måle materialets respons, avhengig av dets molekylære struktur. Alt dette fra en enhet som er mindre enn et fyrstikkhode», sa hun.
Deretter planlegger Benea-Chelmus å fokusere på å finjustere egenskapene til brikkens bølgeledere og antenner for å konstruere bølgeformer med større amplituder og mer finjusterte frekvenser og forfallsrater. Hun ser også potensial for at terahertz-teknologien som er utviklet i laboratoriet hennes, kan være nyttig for kvanteapplikasjoner.
«Det er mange grunnleggende spørsmål å ta opp. For eksempel er vi interessert i om vi kan bruke slike brikker til å generere nye typer kvantestråling som kan manipuleres på ekstremt korte tidsskalaer. Slike bølger i kvantevitenskap kan brukes til å kontrollere kvanteobjekter», konkluderte hun.
Publisert: 14. februar 2023
