Forscher haben einen extrem dünnen Chip mit integriertem photonischen Schaltkreis entwickelt, mit dem die sogenannte Terahertz-Lücke – die im elektromagnetischen Spektrum zwischen 0,3 und 30 THz liegt – für Spektroskopie und Bildgebung genutzt werden könnte.
Diese Lücke ist derzeit so etwas wie eine technologische Totzone, die Frequenzen beschreibt, die für die heutigen Elektronik- und Telekommunikationsgeräte zu schnell, aber für Optik- und Bildgebungsanwendungen zu langsam sind.
Mit dem neuen Chip können die Wissenschaftler nun aber Terahertz-Wellen mit maßgeschneiderter Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Phase erzeugen.Eine solche präzise Steuerung könnte es ermöglichen, Terahertz-Strahlung für Anwendungen der nächsten Generation sowohl im elektronischen als auch im optischen Bereich nutzbar zu machen.
Die zwischen der EPFL, der ETH Zürich und der University of Harvard durchgeführte Arbeit wurde in veröffentlichtNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, die die Forschung im Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) an der School of Engineering der EPFL leitete, erklärte, dass Terahertz-Wellen zwar zuvor in einer Laborumgebung erzeugt wurden, sich frühere Ansätze jedoch hauptsächlich auf Bulk-Kristalle stützten, um das Richtige zu erzeugen Frequenzen.Stattdessen sorgt die Verwendung des photonischen Schaltkreises in ihrem Labor, der aus Lithiumniobat hergestellt und von Mitarbeitern der Harvard University im Nanometerbereich fein geätzt wurde, für einen viel rationalisierteren Ansatz.Die Verwendung eines Siliziumsubstrats macht die Vorrichtung auch für die Integration in elektronische und optische Systeme geeignet.
„Wellen mit sehr hohen Frequenzen zu erzeugen ist extrem herausfordernd, und es gibt nur sehr wenige Techniken, die sie mit einzigartigen Mustern erzeugen können“, erklärte sie.„Wir sind jetzt in der Lage, die genaue zeitliche Form von Terahertz-Wellen zu konstruieren – um im Wesentlichen zu sagen: ‚Ich möchte eine Wellenform, die so aussieht.'“
Um dies zu erreichen, entwarf das Labor von Benea-Chelmus die Anordnung der Kanäle des Chips, sogenannte Wellenleiter, so, dass mikroskopisch kleine Antennen verwendet werden konnten, um Terahertz-Wellen auszusenden, die durch Licht aus Glasfasern erzeugt wurden.
„Die Tatsache, dass unser Gerät bereits ein optisches Standardsignal verwendet, ist wirklich ein Vorteil, denn es bedeutet, dass diese neuen Chips mit herkömmlichen Lasern verwendet werden können, die sehr gut funktionieren und sehr gut verstanden werden.Damit ist unser Gerät telekommunikationsfähig“, betonte Benea-Chelmus.Sie fügte hinzu, dass miniaturisierte Geräte, die Signale im Terahertz-Bereich senden und empfangen, eine Schlüsselrolle in Mobilfunksystemen der sechsten Generation (6G) spielen könnten.
In der Welt der Optik sieht Benea-Chelmus besonderes Potenzial für miniaturisierte Lithiumniobat-Chips in der Spektroskopie und Bildgebung.Abgesehen davon, dass sie nicht ionisierend sind, sind Terahertz-Wellen viel energieärmer als viele andere Arten von Wellen (z. B. Röntgenstrahlen), die derzeit verwendet werden, um Informationen über die Zusammensetzung eines Materials zu liefern – sei es ein Knochen oder ein Ölgemälde.Ein kompaktes, zerstörungsfreies Gerät wie der Lithiumniobat-Chip könnte daher eine weniger invasive Alternative zu aktuellen spektrografischen Techniken darstellen.
„Man könnte sich vorstellen, Terahertz-Strahlung durch ein Material zu schicken, an dem man interessiert ist, und es zu analysieren, um die Reaktion des Materials abhängig von seiner molekularen Struktur zu messen.All dies von einem Gerät, das kleiner als ein Streichholzkopf ist“, sagte sie.
Als nächstes plant Benea-Chelmus, sich darauf zu konzentrieren, die Eigenschaften der Wellenleiter und Antennen des Chips zu optimieren, um Wellenformen mit größeren Amplituden und feiner abgestimmten Frequenzen und Abklingraten zu entwickeln.Sie sieht auch Potenzial für die in ihrem Labor entwickelte Terahertz-Technologie, um für Quantenanwendungen nützlich zu sein.
„Es gibt viele grundlegende Fragen zu klären;Uns interessiert zum Beispiel, ob wir mit solchen Chips neuartige Quantenstrahlung erzeugen können, die sich in kürzester Zeit manipulieren lässt.Solche Wellen in der Quantenwissenschaft können verwendet werden, um Quantenobjekte zu steuern“, schloss sie.
Postzeit: 14. Februar 2023