Uns investigadors han desenvolupat un xip extremadament prim amb un circuit fotònic integrat que es podria utilitzar per explotar l'anomenat interval de terahertz (que es troba entre 0,3 i 30 THz en l'espectre electromagnètic) per a espectroscòpia i imatges.
Aquesta bretxa és actualment una mena de zona morta tecnològica, que descriu freqüències que són massa ràpides per als dispositius electrònics i de telecomunicacions actuals, però massa lentes per a aplicacions d'òptica i imatges.
Tanmateix, el nou xip dels científics ara els permet produir ones de terahertz amb freqüència, longitud d'ona, amplitud i fase adaptades. Aquest control precís podria permetre aprofitar la radiació de terahertz per a aplicacions de nova generació tant en l'àmbit electrònic com en l'òptic.
El treball, dut a terme entre l'EPFL, l'ETH Zurich i la Universitat de Harvard, s'ha publicat aComunicacions amb la natura.
Cristina Benea-Chelmus, que va dirigir la recerca al Laboratori de Fotònica Híbrida (HYLAB) de l'Escola d'Enginyeria de l'EPFL, va explicar que, si bé les ones de terahertz s'han produït en un entorn de laboratori abans, els enfocaments anteriors s'han basat principalment en cristalls massius per generar les freqüències correctes. En canvi, l'ús que fa el seu laboratori del circuit fotònic, fet de niobat de liti i gravat finament a escala nanomètrica per col·laboradors de la Universitat de Harvard, permet un enfocament molt més simplificat. L'ús d'un substrat de silici també fa que el dispositiu sigui adequat per a la integració en sistemes electrònics i òptics.
«Generar ones a freqüències molt altes és extremadament difícil, i hi ha molt poques tècniques que puguin generar-les amb patrons únics», va explicar. «Ara som capaços d'enginyar la forma temporal exacta de les ones de terahertz, és a dir, essencialment: "Vull una forma d'ona que s'assembli a això"».
Per aconseguir-ho, el laboratori de Benea-Chelmus va dissenyar la disposició de canals del xip, anomenats guies d'ones, de manera que es poguessin utilitzar antenes microscòpiques per emetre ones de terahertz generades per la llum de les fibres òptiques.
«El fet que el nostre dispositiu ja utilitzi un senyal òptic estàndard és realment un avantatge, perquè significa que aquests nous xips es poden utilitzar amb làsers tradicionals, que funcionen molt bé i són molt ben coneguts. Significa que el nostre dispositiu és compatible amb les telecomunicacions», va emfatitzar Benea-Chelmus. Va afegir que els dispositius miniaturitzats que envien i reben senyals en el rang de terahertz podrien tenir un paper clau en els sistemes mòbils de sisena generació (6G).
En el món de l'òptica, Benea-Chelmus veu un potencial particular per als xips miniaturitzats de niobat de liti en espectroscòpia i imatge. A més de no ser ionitzants, les ones de terahertz tenen una energia molt més baixa que molts altres tipus d'ones (com ara els raigs X) que s'utilitzen actualment per proporcionar informació sobre la composició d'un material, ja sigui un os o una pintura a l'oli. Un dispositiu compacte i no destructiu com el xip de niobat de liti podria, per tant, proporcionar una alternativa menys invasiva a les tècniques espectrogràfiques actuals.
«Us podeu imaginar enviant radiació de terahertz a través d'un material que us interessi i analitzant-lo per mesurar la resposta del material, depenent de la seva estructura molecular. Tot això des d'un dispositiu més petit que un cap de llumí», va dir.
A continuació, Benea-Chelmus té previst centrar-se en ajustar les propietats de les guies d'ona i les antenes del xip per dissenyar formes d'ona amb amplituds més grans i freqüències i taxes de decaïment més afinades. També veu potencial perquè la tecnologia de terahertz desenvolupada al seu laboratori sigui útil per a aplicacions quàntiques.
«Hi ha moltes preguntes fonamentals que cal abordar; per exemple, ens interessa saber si podem utilitzar aquests xips per generar nous tipus de radiació quàntica que es puguin manipular en escales de temps extremadament curtes. Aquestes ones en la ciència quàntica es poden utilitzar per controlar objectes quàntics», va concloure.
Data de publicació: 14 de febrer de 2023
