ชิปที่ใช้วงจรโทนิคในตัวสามารถช่วยปิด 'ช่องว่างของเทระเฮิรตซ์'

ผู้วิจัยได้พัฒนาชิปที่บางมากพร้อมวงจรโฟโตนิกในตัวที่สามารถใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากช่องว่างที่เรียกว่าเทระเฮิรตซ์ ซึ่งอยู่ระหว่าง 0.3-30THz ในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับสเปกโทรสโกปีและการถ่ายภาพ

ปัจจุบันช่องว่างนี้เป็นโซนอับทางเทคโนโลยี โดยอธิบายถึงความถี่ที่เร็วเกินไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคมในปัจจุบัน แต่ช้าเกินไปสำหรับแอปพลิเคชันออปติกและภาพ

อย่างไรก็ตาม ชิปตัวใหม่ของนักวิทยาศาสตร์ช่วยให้สามารถผลิตคลื่นระดับเทระเฮิรตซ์ด้วยความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด และเฟสที่ปรับแต่งได้การควบคุมที่แม่นยำเช่นนี้ทำให้สามารถใช้งานการแผ่รังสีระดับเทระเฮิรตซ์สำหรับการใช้งานยุคหน้าทั้งในขอบเขตอิเล็กทรอนิกส์และออปติก

ผลงานที่ดำเนินการระหว่าง EPFL, ETH Zurich และ University of Harvard ได้รับการเผยแพร่ในเนเจอร์ คอมมิวนิเคชั่นส์.

Cristina Benea-Chelmus ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยในห้องปฏิบัติการของ Hybrid Photonics (HYLAB) ที่ EPFL's School of Engineering อธิบายว่าในขณะที่คลื่นเทราเฮิรตซ์ถูกผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการมาก่อน แนวทางก่อนหน้านี้อาศัยคริสตัลจำนวนมากเป็นหลักเพื่อสร้างสิ่งที่ถูกต้อง ความถี่แต่การใช้วงจรโทนิคในห้องปฏิบัติการของเธอซึ่งทำจากลิเธียมไนโอเบตและแกะสลักอย่างประณีตในระดับนาโนเมตรโดยผู้ทำงานร่วมกันที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ทำให้แนวทางมีความคล่องตัวมากขึ้นการใช้พื้นผิวซิลิกอนยังทำให้อุปกรณ์นี้เหมาะสำหรับการรวมเข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์และออปติก

“การสร้างคลื่นที่ความถี่สูงมากเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง และมีเทคนิคน้อยมากที่สามารถสร้างคลื่นที่มีรูปแบบเฉพาะตัวได้” เธออธิบาย“ตอนนี้เราสามารถสร้างรูปร่างทางเวลาที่แน่นอนของคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ได้แล้ว พูดตามตรงก็คือ 'ฉันต้องการรูปคลื่นที่มีลักษณะแบบนี้'”

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ห้องทดลองของ Benea-Chelmus ได้ออกแบบการจัดเรียงช่องสัญญาณของชิปที่เรียกว่าท่อนำคลื่น ในลักษณะที่สามารถใช้เสาอากาศขนาดเล็กมากในการถ่ายทอดคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ที่เกิดจากแสงจากใยแก้วนำแสง

“ข้อเท็จจริงที่ว่าอุปกรณ์ของเราใช้สัญญาณออปติคัลมาตรฐานอยู่แล้วถือเป็นข้อได้เปรียบจริงๆ เพราะนั่นหมายความว่าชิปใหม่เหล่านี้สามารถใช้กับเลเซอร์แบบดั้งเดิมได้ ซึ่งทำงานได้ดีมากและเข้าใจเป็นอย่างดีหมายความว่าอุปกรณ์ของเรารองรับการสื่อสารโทรคมนาคม” Benea-Chelmus เน้นย้ำเธอเสริมว่าอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ส่งและรับสัญญาณในช่วงเทราเฮิรตซ์สามารถมีบทบาทสำคัญในระบบมือถือรุ่นที่หก (6G)

ในโลกของทัศนศาสตร์ Benea-Chelmus มองเห็นศักยภาพเฉพาะของชิปลิเธียมไนโอเบตขนาดจิ๋วในสเปกโทรสโกปีและการถ่ายภาพนอกจากจะไม่เป็นไอออนแล้ว คลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ยังมีพลังงานต่ำกว่าคลื่นประเภทอื่นๆ (เช่น รังสีเอกซ์) ที่ใช้ในปัจจุบันเพื่อให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นกระดูกหรือภาพวาดสีน้ำมันดังนั้นอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดที่ไม่ทำลาย เช่น ชิปลิเธียมไนโอเบตจึงเป็นทางเลือกที่รุกรานน้อยกว่าเทคนิคสเปกโตรกราฟีในปัจจุบัน

“คุณสามารถจินตนาการถึงการส่งรังสีเทระเฮิรตซ์ผ่านวัสดุที่คุณสนใจและวิเคราะห์เพื่อวัดการตอบสนองของวัสดุ โดยขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของมันทั้งหมดนี้จากอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่าหัวไม้ขีด" เธอกล่าว

ต่อไป Benea-Chelmus วางแผนที่จะมุ่งเน้นไปที่การปรับแต่งคุณสมบัติของท่อนำคลื่นและเสาอากาศของชิปเพื่อออกแบบรูปคลื่นให้มีแอมพลิจูดมากขึ้น พร้อมปรับความถี่และอัตราการสลายให้ละเอียดยิ่งขึ้นเธอยังมองเห็นศักยภาพของเทคโนโลยีเทอร์เฮิร์ตซ์ที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของเธอเพื่อเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานควอนตัม

“มีคำถามพื้นฐานมากมายที่ต้องตอบตัวอย่างเช่น เราสนใจว่าเราจะสามารถใช้ชิปดังกล่าวเพื่อสร้างรังสีควอนตัมประเภทใหม่ที่สามารถจัดการในช่วงเวลาที่สั้นมากได้หรือไม่คลื่นดังกล่าวในวิทยาศาสตร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อควบคุมวัตถุควอนตัมได้” เธอสรุป