Forskere har udviklet en ekstremt tynd chip med et integreret fotonisk kredsløb, der kan bruges til at udnytte det såkaldte terahertz-gab – der ligger mellem 0,3-30 THz i det elektromagnetiske spektrum – til spektroskopi og billeddannelse.
Dette hul er i øjeblikket en slags teknologisk dødzone, der beskriver frekvenser, der er for hurtige til nutidens elektronik- og telekommunikationsenheder, men for langsomme til optik- og billeddannelsesapplikationer.
Forskernes nye chip gør det dog nu muligt for dem at producere terahertz-bølger med skræddersyet frekvens, bølgelængde, amplitude og fase. En sådan præcis kontrol kan gøre det muligt at udnytte terahertz-stråling til næste generations applikationer inden for både det elektroniske og optiske område.
Arbejdet, der er udført mellem EPFL, ETH Zürich og Harvard University, er blevet offentliggjort iNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, der ledede forskningen i Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) på EPFL's School of Engineering, forklarede, at selvom terahertz-bølger er blevet produceret i et laboratoriemiljø før, har tidligere tilgange primært været baseret på bulkkrystaller for at generere de rigtige frekvenser. I stedet gør hendes laboratoriums brug af det fotoniske kredsløb, der er lavet af lithiumniobat og fint ætset på nanometerskala af samarbejdspartnere på Harvard University, en langt mere strømlinet tilgang. Brugen af et siliciumsubstrat gør også enheden velegnet til integration i elektroniske og optiske systemer.
"Det er ekstremt udfordrende at generere bølger ved meget høje frekvenser, og der findes 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 bund og grund 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.
"Det faktum, at vores enhed allerede bruger et standard optisk signal, er virkelig en fordel, fordi det betyder, at disse nye chips kan bruges med traditionelle lasere, som fungerer rigtig godt og er meget velforståelige. Det betyder, at vores enhed er telekommunikationskompatibel," understregede Benea-Chelmus. Hun tilføjede, at miniaturiserede enheder, der sender og modtager signaler i terahertz-området, kan spille en nøglerolle i sjette generations mobilsystemer (6G).
Inden for optikkens verden ser Benea-Chelmus et særligt potentiale for miniaturiserede lithiumniobatchips inden for spektroskopi og billeddannelse. Udover at være ikke-ioniserende har terahertz-bølger en meget lavere energi end mange andre typer bølger (såsom røntgenstråler), der i øjeblikket bruges til at give information om et materiales sammensætning – uanset om det er en knogle eller et oliemaleri. En kompakt, ikke-destruktiv enhed som lithiumniobatchippen kan derfor være et mindre invasivt alternativ til nuværende spektrografiske teknikker.
"Man kunne forestille sig at sende terahertz-stråling gennem et materiale, man 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 finjustere egenskaberne ved chippens bølgeledere og antenner for at konstruere bølgeformer med større amplituder og mere finjusterede frekvenser og henfaldshastigheder. Hun ser også potentiale for, at terahertz-teknologien, der er udviklet i hendes laboratorium, kan være nyttig til kvanteapplikationer.
"Der er mange grundlæggende spørgsmål at besvare; 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 kvantevidenskaben kan bruges til at styre kvanteobjekter," konkluderede hun.
Opslagstidspunkt: 14. feb. 2023
