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 0,3-30THz i det elektromagnetiske spekteret – for spektroskopi og bildebehandling.
Dette gapet er for tiden noe av en teknologisk dødsone, som beskriver frekvenser som er for raske for dagens elektronikk- og telekommunikasjonsenheter, men for trege for optikk og bildebehandlingsapplikasjoner.
Imidlertid gjør forskernes nye brikke dem nå i stand til å produsere terahertz-bølger med skreddersydd frekvens, bølgelengde, amplitude og fase.En slik presis kontroll kan gjøre det mulig å utnytte terahertz-stråling for neste generasjons applikasjoner i både det elektroniske og optiske området.
Arbeidet, utført mellom EPFL, ETH Zurich og University of Harvard, har blitt publisert iNaturkommunikasjon.
Cristina Benea-Chelmus, som ledet forskningen i Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) ved EPFLs School of Engineering, forklarte at mens terahertz-bølger har blitt produsert i laboratoriemiljøer før, har tidligere tilnærminger først og fremst vært avhengige av bulkkrystaller for å generere rett frekvenser.I stedet gjør 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 enheten også egnet for integrering i elektroniske og optiske systemer.
"Å generere bølger ved svært høye frekvenser er ekstremt utfordrende, og det er svært få teknikker som kan generere dem med unike mønstre," forklarte hun."Vi er nå i stand til å konstruere den nøyaktige tidsformen til terahertz-bølger - for å si i hovedsak: '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 faktum 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 veldig 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-serien kan spille en nøkkelrolle i sjette generasjons mobilsystemer (6G).
I optikkens verden ser Benea-Chelmus spesielt potensiale for miniatyriserte litiumniobatbrikker innen spektroskopi og bildebehandling.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 litiumniobat-brikken 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 responsen til materialet, 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 forfallshastigheter.Hun ser også potensiale for at terahertz-teknologien utviklet i laboratoriet hennes kan være nyttig for kvanteapplikasjoner.
«Det er mange grunnleggende spørsmål å ta tak i;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.
Innleggstid: 14. februar 2023