forskere har udviklet en ekstremt tynd chip med et integreret fotonisk kredsløb, der kunne bruges til at udnytte det såkaldte terahertz-gab – der ligger mellem 0,3-30THz i det elektromagnetiske spektrum – til spektroskopi og billeddannelse.
Denne kløft er i øjeblikket noget af en teknologisk dødzone, der beskriver frekvenser, der er for hurtige til nutidens elektronik- og telekommunikationsenheder, men for langsomme til optik og billedbehandlingsapplikationer.
Men forskernes nye chip gør dem nu i stand til at producere terahertz-bølger med skræddersyet frekvens, bølgelængde, amplitude og fase.En sådan præcis kontrol kunne gøre det muligt at udnytte terahertz-stråling til næste generations applikationer i både den elektroniske og optiske verden.
Værket, udført mellem EPFL, ETH Zürich og University of Harvard, er blevet offentliggjort iNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, der ledede forskningen i Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) ved EPFL's School of Engineering, forklarede, at mens terahertz-bølger tidligere er blevet produceret i et laboratoriemiljø, har tidligere tilgange primært været afhængige af bulkkrystaller til at generere de rigtige frekvenser.I stedet giver hendes laboratoriums brug af det fotoniske kredsløb, lavet af lithiumniobat og fint ætset på nanometerskalaen af samarbejdspartnere ved Harvard University, en meget mere strømlinet tilgang.Brugen af et siliciumsubstrat gør også enheden velegnet til integration i elektroniske og optiske systemer.
"At generere bølger ved meget høje frekvenser er ekstremt udfordrende, og der er meget få teknikker, der kan generere dem med unikke mønstre," forklarede hun."Vi er nu i stand til at konstruere den nøjagtige tidsmæssige form af terahertz-bølger - for i det væsentlige at sige, 'Jeg vil have en bølgeform, der ser sådan ud'."
For at opnå dette designede Benea-Chelmus' laboratorium chippens arrangement af kanaler, kaldet bølgeledere, på en sådan måde, at mikroskopiske antenner kunne bruges til at udsende terahertz-bølger genereret af lys fra optiske fibre.
”At vores enhed allerede gør brug af et standard optisk signal er virkelig en fordel, fordi det betyder, at disse nye chips kan bruges med traditionelle lasere, som fungerer meget godt og er meget velforståede.Det betyder, at vores enhed er telekommunikationskompatibel,” understregede Benea-Chelmus.Hun tilføjede, at miniaturiserede enheder, der sender og modtager signaler i terahertz-området, kunne spille en nøglerolle i sjette generations mobilsystemer (6G).
I optikkens verden ser Benea-Chelmus særligt potentiale for miniaturiserede lithiumniobatchips inden for spektroskopi og billeddannelse.Ud over at være ikke-ioniserende har terahertz-bølger meget lavere energi end mange andre typer bølger (såsom røntgenstråler), der i øjeblikket bruges til at give information om sammensætningen af et materiale – uanset om det er en knogle eller et oliemaleri.En kompakt, ikke-destruktiv enhed som lithiumniobat-chippen kunne derfor give et mindre invasivt alternativ til nuværende spektrografiske teknikker.
"Du kunne forestille dig at sende terahertz-stråling gennem et materiale, du er interesseret i, og analysere det for at måle materialets respons, afhængigt af dets molekylære struktur.Alt dette fra en enhed, der er mindre end et tændstikhoved,” sagde hun.
Dernæst planlægger Benea-Chelmus at fokusere på at tilpasse egenskaberne af chippens bølgeledere og antenner til at konstruere bølgeformer med større amplituder og mere fintunede frekvenser og henfaldshastigheder.Hun ser også potentiale for, at terahertz-teknologien udviklet i hendes laboratorium kan være nyttig til kvanteapplikationer.
”Der er mange grundlæggende spørgsmål at tage fat på;for eksempel er vi interesserede i, om vi kan bruge sådanne chips til at generere nye typer kvantestråling, der kan manipuleres på ekstremt korte tidsskalaer.Sådanne bølger i kvantevidenskab kan bruges til at kontrollere kvanteobjekter,« konkluderede hun.
Indlægstid: 14-feb-2023