Vědci vyvinuli extrémně tenký čip s integrovaným fotonickým obvodem, který by mohl být použit k využití tzv. terahertzové mezery – ležící mezi 0,3 a 30 THz v elektromagnetickém spektru – pro spektroskopii a zobrazování.
Tato mezera je v současnosti jakýmsi technologickým mrtvým pásmem, které popisuje frekvence příliš rychlé pro dnešní elektroniku a telekomunikační zařízení, ale příliš pomalé pro optiku a zobrazovací aplikace.
Nový čip vědců jim však nyní umožňuje produkovat terahertzové vlny s přizpůsobenou frekvencí, vlnovou délkou, amplitudou a fází. Takové přesné řízení by mohlo umožnit využití terahertzového záření pro aplikace nové generace v elektronické i optické oblasti.
Práce, kterou provedly EPFL, ETH Zurich a Harvardská univerzita, byla publikována v rocePřírodní komunikace.
Cristina Benea-Chelmus, která vedla výzkum v Laboratoři hybridní fotoniky (HYLAB) na Fakultě inženýrství EPFL, vysvětlila, že ačkoli terahertzové vlny byly v laboratorním prostředí produkovány již dříve, předchozí přístupy se pro generování správných frekvencí spoléhaly primárně na objemové krystaly. Místo toho její laboratoř využívá fotonický obvod vyrobený z niobátu lithného a jemně leptaný v nanometrovém měřítku spolupracovníky z Harvardovy univerzity, což umožňuje mnohem efektivnější přístup. Použití křemíkového substrátu také činí zařízení vhodným pro integraci do elektronických a optických systémů.
„Generování vln na velmi vysokých frekvencích je extrémně náročné a existuje jen velmi málo technik, které je dokáží generovat s jedinečnými vzory,“ vysvětlila. „Nyní jsme schopni navrhnout přesný časový tvar terahertzových vln – v podstatě říct: ‚Chci tvar vlny, který vypadá takto.‘“
Aby toho dosáhla, navrhla laboratoř Benea-Chelmus uspořádání kanálů čipu, nazývaných vlnovody, takovým způsobem, že mikroskopické antény by mohly být použity k vysílání terahertzových vln generovaných světlem z optických vláken.
„Skutečnost, že naše zařízení již využívá standardní optický signál, je skutečně výhodou, protože to znamená, že tyto nové čipy lze použít s tradičními lasery, které fungují velmi dobře a jsou velmi dobře pochopeny. Znamená to, že naše zařízení je kompatibilní s telekomunikacemi,“ zdůraznila Benea-Chelmus. Dodala, že miniaturizovaná zařízení, která vysílají a přijímají signály v terahertzovém rozsahu, by mohla hrát klíčovou roli v mobilních systémech šesté generace (6G).
Ve světě optiky vidí Benea-Chelmus zvláštní potenciál v miniaturizovaných čipech z lithium-niobátu ve spektroskopii a zobrazování. Kromě toho, že jsou neionizující, mají terahertzové vlny mnohem nižší energii než mnoho jiných typů vln (například rentgenové záření), které se v současnosti používají k poskytování informací o složení materiálu – ať už se jedná o kost nebo olejomalbu. Kompaktní, nedestruktivní zařízení, jako je čip z lithium-niobátu, by proto mohlo poskytnout méně invazivní alternativu k současným spektrografickým technikám.
„Dokážete si představit, že byste vyslali terahertzové záření skrz materiál, který vás zajímá, a analyzovali ho, abyste změřili odezvu materiálu v závislosti na jeho molekulární struktuře. To vše ze zařízení menšího než hlavička zápalky,“ řekla.
Benea-Chelmus se dále plánuje zaměřit na úpravu vlastností vlnovodů a antén čipu, aby dosáhla průběhů s větší amplitudou a jemněji vyladěnými frekvencemi a rychlostmi doznívání. Vidí také potenciál v terahertzové technologii vyvinuté ve své laboratoři, která by mohla být užitečná pro kvantové aplikace.
„Je třeba se zabývat mnoha zásadními otázkami; například nás zajímá, zda můžeme takové čipy použít ke generování nových typů kvantového záření, které lze manipulovat v extrémně krátkých časových horizontech. Takové vlny v kvantové vědě lze využít k řízení kvantových objektů,“ uzavřela.
Čas zveřejnění: 14. února 2023
