Onderzoekers hebben een extreem dunne chip ontwikkeld met een geïntegreerd fotonisch circuit dat gebruikt kan worden om de zogenoemde terahertz-kloof – die ligt tussen 0,3-30 THz in het elektromagnetisch spectrum – te benutten voor spectroscopie en beeldvorming.
Deze kloof is momenteel een soort technologische dode zone, met frequenties die te snel zijn voor de huidige elektronica en telecommunicatieapparatuur, maar te langzaam voor optische en beeldvormende toepassingen.
De nieuwe chip van de wetenschappers stelt hen nu echter in staat om terahertzgolven te produceren met een specifieke frequentie, golflengte, amplitude en fase. Deze nauwkeurige controle zou terahertzstraling kunnen benutten 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 School of Engineering van EPFL, legde uit dat terahertzgolven weliswaar al eerder in een laboratoriumomgeving zijn geproduceerd, maar dat eerdere benaderingen voornamelijk afhankelijk waren van bulkkristallen om de juiste frequenties te genereren. In plaats daarvan zorgt het gebruik van het fotonische circuit in haar lab, gemaakt van lithiumniobaat en fijn geëtst op nanometerschaal door medewerkers van Harvard University, voor een veel gestroomlijndere 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 een enorme uitdaging, en er zijn maar weinig technieken die ze met unieke patronen kunnen genereren", legde ze uit. "We zijn nu in staat om de exacte temporele vorm van terahertzgolven te construeren – om in wezen te zeggen: 'Ik wil een golfvorm die er zo uitziet.'"
Om dit te realiseren, ontwierp het laboratorium van Benea-Chelmus de kanalen, zogenaamde golfgeleiders, op de chip zodanig dat microscopische antennes gebruikt kunnen worden om terahertzgolven uit te zenden die gegenereerd worden door licht uit optische vezels.
"Het feit dat ons apparaat al gebruikmaakt van een standaard optisch signaal is echt een voordeel, omdat het betekent dat deze nieuwe chips kunnen worden gebruikt met traditionele lasers, die zeer goed werken en goed worden begrepen. Het betekent dat ons apparaat compatibel is met telecommunicatie", benadrukte Benea-Chelmus. Ze voegde eraan toe dat geminiaturiseerde apparaten die signalen in het terahertzbereik verzenden en ontvangen een sleutelrol zouden kunnen spelen in mobiele systemen van de zesde generatie (6G).
In de optica ziet Benea-Chelmus een bijzonder potentieel voor geminiaturiseerde lithiumniobaatchips in spectroscopie en beeldvorming. Naast het feit dat ze niet-ioniserend zijn, hebben terahertzgolven een veel lagere energie dan veel andere soorten golven (zoals röntgenstraling) die momenteel worden gebruikt om informatie te verschaffen over de samenstelling van een materiaal – of het nu gaat om een bot of een olieverfschilderij. Een compact, niet-destructief apparaat zoals de lithiumniobaatchip zou daarom een minder invasief alternatief kunnen bieden voor de huidige spectrografische technieken.
"Je zou je kunnen 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 apparaatje dat kleiner is dan een luciferkopje," zei ze.
Vervolgens wil Benea-Chelmus zich richten op het verfijnen van de eigenschappen van de golfgeleiders en antennes van de chip om golfvormen te ontwikkelen met grotere amplitudes en nauwkeuriger afgestemde frequenties en vervalsnelheden. Ze ziet ook mogelijkheden voor de terahertz-technologie die in haar lab is ontwikkeld voor kwantumtoepassingen.
"Er zijn veel fundamentele vragen die beantwoord moeten worden; we zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd in de vraag of we dergelijke chips kunnen gebruiken om nieuwe soorten kwantumstraling te genereren die op extreem korte tijdschalen gemanipuleerd kunnen worden. Zulke golven in de kwantumwetenschap kunnen worden gebruikt om kwantumobjecten te besturen", concludeerde ze.
Geplaatst op: 14-02-2023
