onderzoekers hebben een extreem dunne chip ontwikkeld met een geïntegreerd fotonisch circuit dat kan worden gebruikt om de zogenaamde terahertz-kloof - die tussen 0,3-30 THz in het elektromagnetische spectrum ligt - te benutten voor spectroscopie en beeldvorming.
Deze kloof is momenteel een soort technologische dode zone, die frequenties beschrijft die te snel zijn voor de hedendaagse elektronica en telecommunicatieapparatuur, maar te langzaam voor optica en beeldvormingstoepassingen.
Met de nieuwe chip van de wetenschappers kunnen ze nu echter terahertz-golven produceren met aangepaste frequentie, golflengte, amplitude en fase.Door een dergelijke nauwkeurige regeling kan terahertz-straling worden gebruikt voor toepassingen van de volgende generatie in zowel de elektronische als de optische wereld.
Het werk, uitgevoerd door EPFL, ETH Zürich en de Universiteit van Harvard, is gepubliceerd inNatuurcommunicatie.
Cristina Benea-Chelmus, die het onderzoek leidde in het Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) aan de EPFL's School of Engineering, legde uit dat hoewel terahertz-golven eerder in een laboratoriumomgeving zijn geproduceerd, eerdere benaderingen voornamelijk vertrouwden op bulkkristallen om de juiste frequenties.In plaats daarvan zorgt het gebruik van het fotonische circuit in haar laboratorium, gemaakt van lithiumniobaat en fijn geëtst op nanometerschaal door medewerkers van Harvard University, voor een veel meer gestroomlijnde aanpak.Het gebruik van een siliciumsubstraat maakt het apparaat ook geschikt voor integratie in elektronische en optische systemen.
"Het genereren van golven met zeer hoge frequenties is buitengewoon uitdagend, en er zijn maar weinig technieken die ze met unieke patronen kunnen genereren", legt ze uit."We zijn nu in staat om de exacte temporele vorm van terahertz-golven te ontwerpen - om in wezen te zeggen: 'Ik wil een golfvorm die er zo uitziet.'"
Om dit te bereiken, ontwierp het laboratorium van Benea-Chelmus de opstelling van de kanalen van de chip, golfgeleiders genoemd, op zo'n manier dat microscopische antennes kunnen worden gebruikt om terahertz-golven uit te zenden die worden gegenereerd door licht van optische vezels.
“Dat ons toestel al gebruik maakt van een standaard optisch signaal is echt een voordeel, want zo kunnen deze nieuwe chips gebruikt worden met traditionele lasers, die heel goed werken en heel goed begrepen worden.Het betekent dat ons apparaat compatibel is met telecommunicatie', benadrukte Benea-Chelmus.Ze voegde eraan toe dat geminiaturiseerde apparaten die signalen in het terahertz-bereik verzenden en ontvangen, een sleutelrol zouden kunnen spelen in mobiele systemen van de zesde generatie (6G).
In de wereld van optica ziet Benea-Chelmus met name mogelijkheden voor geminiaturiseerde lithiumniobaatchips in spectroscopie en beeldvorming.Behalve dat ze niet-ioniserend zijn, hebben terahertz-golven veel minder energie dan veel andere soorten golven (zoals röntgenstraling) die momenteel worden gebruikt om informatie te geven over de samenstelling van een materiaal - of het nu een bot of een olieverfschilderij is.Een compact, niet-destructief apparaat zoals de lithiumniobaatchip zou daarom een minder invasief alternatief kunnen bieden voor de huidige spectrografische technieken.
“Je kunt je voorstellen dat je terahertzstraling door een materiaal stuurt waarin je geïnteresseerd bent en het analyseert om de respons van het materiaal te meten, afhankelijk van de moleculaire structuur.Dit alles met een apparaat dat kleiner is dan een lucifer,' zei ze.
Vervolgens is Benea-Chelmus van plan zich te concentreren op het aanpassen van de eigenschappen van de golfgeleiders en antennes van de chip om golfvormen met grotere amplitudes en fijner afgestemde frequenties en vervalsnelheden te ontwikkelen.Ze ziet ook mogelijkheden voor de terahertz-technologie die in haar lab is ontwikkeld om bruikbaar te zijn voor kwantumtoepassingen.
“Er zijn veel fundamentele vragen die beantwoord moeten worden;we zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd of we met dergelijke chips nieuwe soorten kwantumstraling kunnen genereren die op extreem korte tijdschalen kunnen worden gemanipuleerd.Dergelijke golven in de kwantumwetenschap kunnen worden gebruikt om kwantumobjecten te besturen”, concludeerde ze.
Posttijd: 14 februari 2023