Forskare har utvecklat ett extremt tunt chip med en integrerad fotonisk krets som skulle kunna användas för att utnyttja det så kallade terahertzgapet – som ligger mellan 0,3 och 30 THz i det elektromagnetiska spektrumet – för spektroskopi och avbildning.
Denna lucka är för närvarande något av en teknologisk dödzon, där frekvenser är för snabba för dagens elektronik- och telekommunikationsenheter, men för långsamma för optik- och bildtillämpningar.
Forskarnas nya chip gör det dock nu möjligt för dem att producera terahertzvågor med skräddarsydd frekvens, våglängd, amplitud och fas. Sådan exakt kontroll skulle kunna göra det möjligt att utnyttja terahertzstrålning för nästa generations tillämpningar inom både det elektroniska och optiska området.
Arbetet, som utfördes mellan EPFL, ETH Zürich och Harvarduniversitetet, har publicerats iNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, som ledde forskningen vid Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) vid EPFL:s School of Engineering, förklarade att även om terahertzvågor har producerats i laboratoriemiljö tidigare, har tidigare metoder främst förlitat sig på bulkkristaller för att generera rätt frekvenser. Istället möjliggör hennes laboratoriums användning av den fotoniska kretsen, tillverkad av litiumniobat och fint etsad i nanometerskala av samarbetspartners vid Harvard University, en mycket mer strömlinjeformad metod. Användningen av ett kiselsubstrat gör också enheten lämplig för integration i elektroniska och optiska system.
”Att generera vågor vid mycket höga frekvenser är extremt utmanande, och det finns väldigt få tekniker som kan generera dem med unika mönster”, förklarade hon. ”Vi kan nu konstruera den exakta tidsmässiga formen av terahertzvågor – att i huvudsak säga: 'Jag vill ha en vågform som ser ut så här.'”
För att uppnå detta utformade Benea-Chelmus laboratorium chipets arrangemang av kanaler, kallade vågledare, på ett sådant sätt att mikroskopiska antenner kunde användas för att sända terahertzvågor genererade av ljus från optiska fibrer.
”Att vår enhet redan använder en standardiserad optisk signal är verkligen en fördel, eftersom det innebär att dessa nya chip kan användas med traditionella lasrar, som fungerar mycket bra och är mycket väl förstådda. Det betyder att vår enhet är telekommunikationskompatibel”, betonade Benea-Chelmus. Hon tillade att miniatyriserade enheter som skickar och tar emot signaler i terahertz-området skulle kunna spela en nyckelroll i sjätte generationens mobila system (6G).
Inom optikens värld ser Benea-Chelmus särskild potential för miniatyriserade litiumniobatchips inom spektroskopi och avbildning. Förutom att vara icke-joniserande har terahertzvågor mycket lägre energi än många andra typer av vågor (som röntgenstrålar) som för närvarande används för att ge information om ett materials sammansättning – oavsett om det är ett ben eller en oljemålning. En kompakt, icke-destruktiv anordning som litiumniobatchipset skulle därför kunna erbjuda ett mindre invasivt alternativ till nuvarande spektrografiska tekniker.
”Man kan tänka sig att skicka terahertzstrålning genom ett material man är intresserad av och analysera det för att mäta materialets respons, beroende på dess molekylstruktur. Allt detta från en apparat mindre än ett tändstickshuvud”, sa hon.
Härnäst planerar Benea-Chelmus att fokusera på att finjustera egenskaperna hos chipets vågledare och antenner för att skapa vågformer med större amplituder och mer finjusterade frekvenser och avklingningshastigheter. Hon ser också potential för att terahertz-tekniken som utvecklats i hennes laboratorium kan vara användbar för kvantapplikationer.
”Det finns många grundläggande frågor att ta itu med; till exempel är vi intresserade av om vi kan använda sådana chip för att generera nya typer av kvantstrålning som kan manipuleras på extremt korta tidsskalor. Sådana vågor inom kvantvetenskapen kan användas för att styra kvantobjekt”, avslutade hon.
Publiceringstid: 14 februari 2023
