Rannsakendur hafa þróað afar þunna flís með innbyggðri ljósfræðilegri rafrás sem hægt væri að nota til að nýta svokallað terahertz bil – sem er á bilinu 0,3-30 THz í rafsegulrófinu – fyrir litrófsgreiningar og myndgreiningu.
Þetta bil er eins og tæknilegt dautt svæði, þar sem tíðnir eru of hraðar fyrir rafeindabúnað og fjarskiptatæki nútímans, en of hægar fyrir ljósfræði og myndgreiningu.
Hins vegar gerir nýja örgjörvinn vísindamannanna þeim nú kleift að framleiða terahertz-bylgjur með sérsniðinni tíðni, bylgjulengd, sveifluvídd og fasa. Slík nákvæm stjórnun gæti gert kleift að beisla terahertz-geislun fyrir næstu kynslóð notkunar bæði í rafeinda- og ljósfræðiheiminum.
Verkefnið, sem unnið var að í samstarfi við EPFL, ETH Zurich og Harvard-háskóla, hefur verið birt íNáttúrusamskipti.
Cristina Benea-Chelmus, sem leiddi rannsóknina í Rannsóknarstofu blendingsljóstækni (HYLAB) við verkfræðideild EPFL, útskýrði að þótt terahertz-bylgjur hafi áður verið framleiddar í rannsóknarstofu, hafi fyrri aðferðir aðallega byggt á lausum kristöllum til að mynda réttar tíðnir. Í staðinn gerir notkun rannsóknarstofu hennar á ljósfræðilegum rásum, sem eru gerðar úr litíumníóbati og fínt etsaðar á nanómetrakvarða af samstarfsmönnum við Harvard-háskóla, að mun hagræðari aðferð. Notkun kísilundirlags gerir tækið einnig hentugt til samþættingar í rafeinda- og ljósfræðileg kerfi.
„Það er afar krefjandi að mynda bylgjur á mjög háum tíðnum og það eru mjög fáar aðferðir sem geta myndað þær með einstökum mynstrum,“ útskýrði hún. „Við getum nú hannað nákvæmlega tímabundna lögun terahertz-bylgna – til að segja í raun: 'Ég vil bylgjuform sem lítur svona út.'“
Til að ná þessu markmiði hannaði rannsóknarstofa Benea-Chelmus rásarfyrirkomulag örgjörvans, sem kallast bylgjuleiðarar, þannig að hægt væri að nota smásæjar loftnet til að senda út terahertz-bylgjur sem myndast við ljós frá ljósleiðurum.
„Sú staðreynd að tækið okkar notar nú þegar staðlað ljósleiðaramerki er í raun kostur, því það þýðir að hægt er að nota þessar nýju flísar með hefðbundnum leysigeislum, sem virka mjög vel og eru vel skildir. Það þýðir að tækið okkar er samhæft fjarskiptum,“ lagði Benea-Chelmus áherslu á. Hún bætti við að smækkuð tæki sem senda og taka á móti merkjum á terahertz sviðinu gætu gegnt lykilhlutverki í sjöttu kynslóð farsímakerfa (6G).
Í heimi ljósfræðinnar sér Benea-Chelmus sérstaka möguleika fyrir smækkaðar litíumníóbatflögur í litrófsgreiningu og myndgreiningu. Auk þess að vera ekki jónandi eru terahertzbylgjur mun orkuminni en margar aðrar gerðir bylgna (eins og röntgengeislar) sem nú eru notaðar til að veita upplýsingar um samsetningu efnis - hvort sem það er bein eða olíumálverk. Þétt, óskemmandi tæki eins og litíumníóbatflögan gæti því veitt minna ífarandi valkost við núverandi litrófsgreiningaraðferðir.
„Þú gætir ímyndað þér að senda terahertz geislun í gegnum efni sem þú hefur áhuga á og greina hana til að mæla svörun efnisins, allt eftir sameindabyggingu þess. Allt þetta frá tæki sem er minna en eldspýtnahaus,“ sagði hún.
Næst ætlar Benea-Chelmus að einbeita sér að því að fínstilla eiginleika bylgjuleiðara og loftneta örgjörvans til að hanna bylgjuform með meiri sveifluvídd og fínstilltari tíðni og rofhraða. Hún sér einnig möguleika á að terahertz-tæknin sem þróuð var í rannsóknarstofu hennar verði gagnleg fyrir skammtafræðileg forrit.
„Það eru margar grundvallarspurningar sem þarf að taka á; til dæmis höfum við áhuga á því hvort við getum notað slíkar flísar til að búa til nýjar gerðir af skammtafræðilegri geislun sem hægt er að stjórna á afar stuttum tíma. Slíkar bylgjur í skammtafræði er hægt að nota til að stjórna skammtafræðilegum hlutum,“ sagði hún að lokum.
Birtingartími: 14. febrúar 2023
