Tutkijat ovat kehittäneet erittäin ohuen sirun, jossa on integroitu fotonipiiri, jota voitaisiin käyttää niin sanotun terahertsiaukon – sähkömagneettisen spektrin 0,3–30 THz:n välillä – hyödyntämiseen spektroskopiassa ja kuvantamisessa.
Tämä aukko on tällä hetkellä eräänlainen teknologinen kuollut alue, joka kuvaa taajuuksia, jotka ovat liian nopeita nykypäivän elektroniikka- ja tietoliikennelaitteille, mutta liian hitaita optiikan ja kuvantamisen sovelluksille.
Tutkijoiden uusi siru mahdollistaa nyt kuitenkin terahertsiaaltojen tuottamisen räätälöidyllä taajuudella, aallonpituudella, amplitudilla ja vaiheella. Tällainen tarkka säätö voisi mahdollistaa terahertsisäteilyn valjastamisen seuraavan sukupolven sovelluksiin sekä elektroniikan että optiikan aloilla.
EPFL:n, ETH Zürichin ja Harvardin yliopiston yhteistyönä tehty työ on julkaistuLuontoviestintä.
EPFL:n teknillisen tiedekunnan hybridifotoniikan laboratoriossa (HYLAB) tutkimusta johtanut Cristina Benea-Chelmus selitti, että vaikka terahertsiaaltoja on tuotettu laboratorioympäristössä aiemminkin, aiemmat lähestymistavat ovat perustuneet pääasiassa massakiteisiin oikeiden taajuuksien tuottamiseksi. Sen sijaan hänen laboratoriossaan käyttämä fotonipiiri, joka on valmistettu litiumniobaatista ja jonka Harvardin yliopiston yhteistyökumppanit ovat hienostuneesti syövyttäneet nanometritasolla, tekee lähestymistavasta paljon virtaviivaisemman. Piisubstraatin käyttö tekee laitteesta myös sopivan integroitavaksi elektronisiin ja optisiin järjestelmiin.
”Hyvin korkeiden taajuuksien aaltojen luominen on äärimmäisen haastavaa, ja on hyvin vähän tekniikoita, jotka pystyvät luomaan niitä ainutlaatuisilla kuvioilla”, hän selitti. ”Pystymme nyt suunnittelemaan terahertsiaaltojen tarkan ajallisen muodon – sanomaan pohjimmiltaan: 'Haluan aaltomuodon, joka näyttää tältä.'”
Tämän saavuttamiseksi Benea-Chelmusin laboratorio suunnitteli sirun kanavien, joita kutsutaan aaltojohteiksi, järjestelyn siten, että mikroskooppisia antenneja voitaisiin käyttää optisten kuitujen valon tuottamien terahertsiaaltojen lähettämiseen.
”Se, että laitteemme käyttää jo standardia optista signaalia, on todellakin etu, koska se tarkoittaa, että näitä uusia siruja voidaan käyttää perinteisten lasereiden kanssa, jotka toimivat erittäin hyvin ja joita ymmärretään erittäin hyvin. Se tarkoittaa, että laitteemme on yhteensopiva tietoliikenteen kanssa”, Benea-Chelmus korosti. Hän lisäsi, että terahertsialueen signaaleja lähettävät ja vastaanottavat miniatyyrilaitteet voisivat olla avainasemassa kuudennen sukupolven matkaviestinjärjestelmissä (6G).
Optiikan maailmassa Benea-Chelmus näkee erityistä potentiaalia miniatyrisoiduille litiumniobaattisiruille spektroskopiassa ja kuvantamisessa. Sen lisäksi, että terahertsiaallot eivät ole ionisoivia, ne ovat paljon matalaenergiaisempia kuin monet muut aaltotyypit (kuten röntgensäteet), joita tällä hetkellä käytetään tiedon antamiseen materiaalin koostumuksesta – olipa kyseessä sitten luu tai öljymaalaus. Kompakti, rikkomaton laite, kuten litiumniobaattisiru, voisi siksi tarjota vähemmän invasiivisen vaihtoehdon nykyisille spektrografisille tekniikoille.
”Voisit kuvitella lähettäväsi terahertsisäteilyä kiinnostavan materiaalin läpi ja analysoivasi sitä mitataksesi materiaalin vasteen sen molekyylirakenteesta riippuen. Kaikki tämä laitteella, joka on pienempi kuin tulitikun pää”, hän sanoi.
Seuraavaksi Benea-Chelmus aikoo keskittyä sirun aaltojohteiden ja antennien ominaisuuksien hienosäätöön, jotta voidaan luoda aaltomuotoja, joilla on suurempi amplitudi ja hienosäädetyt taajuudet ja vaimenemisnopeudet. Hän näkee myös potentiaalia, että hänen laboratoriossaan kehitetty terahertsiteknologia voisi olla hyödyllinen kvanttisovelluksissa.
”Ratkaistavana on monia perustavanlaatuisia kysymyksiä; meitä kiinnostaa esimerkiksi, voimmeko käyttää tällaisia siruja uudenlaisten kvanttisäteilytyyppien tuottamiseen, joita voidaan manipuloida erittäin lyhyillä aikaskaaloilla. Tällaisia aaltoja voidaan kvanttitieteessä käyttää kvanttiobjektien ohjaamiseen”, hän totesi.
Julkaisun aika: 14. helmikuuta 2023
