محققان یک تراشه بسیار نازک با یک مدار فوتونیک یکپارچه توسعه داده‌اند که می‌تواند برای بهره‌برداری از شکاف موسوم به تراهرتز - که بین 0.3 تا 30 تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی قرار دارد - برای طیف‌سنجی و تصویربرداری مورد استفاده قرار گیرد.
این شکاف در حال حاضر چیزی شبیه به یک منطقه مرده فناوری است و فرکانس‌هایی را توصیف می‌کند که برای دستگاه‌های الکترونیکی و مخابراتی امروزی بسیار سریع، اما برای کاربردهای اپتیک و تصویربرداری بسیار کند هستند.
با این حال، تراشه جدید دانشمندان اکنون آنها را قادر می‌سازد تا امواج تراهرتز را با فرکانس، طول موج، دامنه و فاز سفارشی تولید کنند. چنین کنترل دقیقی می‌تواند امکان مهار تابش تراهرتز را برای کاربردهای نسل بعدی در حوزه‌های الکترونیکی و نوری فراهم کند.
این کار که بین EPFL، ETH زوریخ و دانشگاه هاروارد انجام شده است، در ... منتشر شده است.ارتباطات طبیعت.
کریستینا بنی-چلموس، که رهبری این تحقیق را در آزمایشگاه فوتونیک هیبریدی (HYLAB) در دانشکده مهندسی EPFL بر عهده داشت، توضیح داد که اگرچه امواج تراهرتز قبلاً در محیط آزمایشگاهی تولید شده‌اند، اما رویکردهای قبلی عمدتاً بر کریستال‌های حجیم برای تولید فرکانس‌های مناسب متکی بوده‌اند. در عوض، استفاده آزمایشگاه او از مدار فوتونیک، ساخته شده از نیوبات لیتیوم و حکاکی دقیق در مقیاس نانومتری توسط همکاران در دانشگاه هاروارد، رویکردی بسیار ساده‌تر را ارائه می‌دهد. استفاده از زیرلایه سیلیکونی همچنین این دستگاه را برای ادغام در سیستم‌های الکترونیکی و نوری مناسب می‌کند.
او توضیح داد: «تولید امواج در فرکانس‌های بسیار بالا بسیار چالش‌برانگیز است و تکنیک‌های بسیار کمی وجود دارد که می‌توانند آنها را با الگوهای منحصر به فرد تولید کنند. اکنون ما قادر به مهندسی شکل زمانی دقیق امواج تراهرتز هستیم - اساساً می‌توانیم بگوییم، 'من شکل موجی می‌خواهم که شبیه این باشد.'»
برای دستیابی به این هدف، آزمایشگاه بنی-چلموس چیدمان کانال‌های تراشه، به نام موجبرها، را به گونه‌ای طراحی کرد که بتوان از آنتن‌های میکروسکوپی برای پخش امواج تراهرتز تولید شده توسط نور از فیبرهای نوری استفاده کرد.
بنه‌آ-چلموس تأکید کرد: «این واقعیت که دستگاه ما از قبل از یک سیگنال نوری استاندارد استفاده می‌کند، واقعاً یک مزیت است، زیرا به این معنی است که این تراشه‌های جدید می‌توانند با لیزرهای سنتی که بسیار خوب کار می‌کنند و به خوبی شناخته شده‌اند، مورد استفاده قرار گیرند. این بدان معناست که دستگاه ما با ارتباطات از راه دور سازگار است.» او افزود که دستگاه‌های مینیاتوری که سیگنال‌هایی در محدوده تراهرتز ارسال و دریافت می‌کنند، می‌توانند نقش کلیدی در سیستم‌های تلفن همراه نسل ششم (6G) ایفا کنند.
در دنیای اپتیک، بنی-چلموس پتانسیل ویژه‌ای برای تراشه‌های لیتیوم نیوبات مینیاتوری در طیف‌سنجی و تصویربرداری می‌بیند. امواج تراهرتز علاوه بر غیر یونیزه بودن، انرژی بسیار کمتری نسبت به بسیاری از انواع دیگر امواج (مانند اشعه ایکس) دارند که در حال حاضر برای ارائه اطلاعات در مورد ترکیب یک ماده - چه استخوان باشد و چه یک نقاشی رنگ روغن - استفاده می‌شوند. بنابراین، یک دستگاه جمع و جور و غیر مخرب مانند تراشه لیتیوم نیوبات می‌تواند جایگزین کم‌تهاجمی‌تری برای تکنیک‌های طیف‌سنجی فعلی ارائه دهد.
او گفت: «می‌توانید تصور کنید که تابش تراهرتز را از طریق ماده‌ای که به آن علاقه دارید ارسال کنید و آن را برای اندازه‌گیری پاسخ ماده، بسته به ساختار مولکولی آن، تجزیه و تحلیل کنید. همه این‌ها از دستگاهی کوچکتر از سر کبریت انجام می‌شود.»
در مرحله بعد، بنی-چلموس قصد دارد بر روی تنظیم ویژگی‌های موجبرها و آنتن‌های تراشه تمرکز کند تا شکل موج‌هایی با دامنه‌های بیشتر و فرکانس‌ها و نرخ‌های واپاشی دقیق‌تر مهندسی کند. او همچنین پتانسیل فناوری تراهرتز توسعه‌یافته در آزمایشگاه خود را برای کاربردهای کوانتومی مفید می‌داند.
او در پایان گفت: «سوالات اساسی زیادی برای بررسی وجود دارد؛ برای مثال، ما علاقه‌مندیم بدانیم که آیا می‌توانیم از چنین تراشه‌هایی برای تولید انواع جدیدی از تابش کوانتومی استفاده کنیم که بتوان آنها را در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه دستکاری کرد. چنین امواجی در علم کوانتومی می‌توانند برای کنترل اشیاء کوانتومی استفاده شوند.»
زمان ارسال: ۱۴ فوریه ۲۰۲۳
