I ricercatori hanno sviluppato un chip estremamente sottile con un circuito fotonico integrato che potrebbe essere utilizzato per sfruttare il cosiddetto gap terahertz, compreso tra 0,3 e 30 THz nello spettro elettromagnetico, per la spettroscopia e l'imaging.
Questo divario rappresenta attualmente una sorta di zona morta tecnologica, in quanto descrive frequenze troppo veloci per gli attuali dispositivi elettronici e di telecomunicazione, ma troppo lente per le applicazioni di ottica e di imaging.
Tuttavia, il nuovo chip degli scienziati consente ora di produrre onde terahertz con frequenza, lunghezza d'onda, ampiezza e fase personalizzate. Un controllo così preciso potrebbe consentire di sfruttare la radiazione terahertz per applicazioni di prossima generazione sia in campo elettronico che ottico.
Il lavoro, condotto tra l'EPFL, l'ETH di Zurigo e l'Università di Harvard, è stato pubblicato inNature Communications.
Cristina Benea-Chelmus, che ha guidato la ricerca presso il Laboratorio di Fotonica Ibrida (HYLAB) della Facoltà di Ingegneria dell'EPFL, ha spiegato che, sebbene le onde terahertz siano già state prodotte in laboratorio, gli approcci precedenti si basavano principalmente su cristalli massivi per generare le frequenze corrette. Invece, l'utilizzo nel suo laboratorio del circuito fotonico, realizzato in niobato di litio e finemente inciso su scala nanometrica da collaboratori dell'Università di Harvard, rende l'approccio molto più snello. L'utilizzo di un substrato di silicio rende inoltre il dispositivo adatto all'integrazione in sistemi elettronici e ottici.
"Generare onde a frequenze molto elevate è estremamente impegnativo, e ci sono pochissime tecniche in grado di generarle con pattern unici", ha spiegato. "Ora siamo in grado di progettare l'esatta forma temporale delle onde terahertz, ovvero di dire in sostanza: 'Voglio una forma d'onda che assomigli a questa'".
Per raggiungere questo obiettivo, il laboratorio di Benea-Chelmus ha progettato la disposizione dei canali del chip, denominati guide d'onda, in modo tale che le antenne microscopiche potessero essere utilizzate per trasmettere onde terahertz generate dalla luce delle fibre ottiche.
"Il fatto che il nostro dispositivo utilizzi già un segnale ottico standard è davvero un vantaggio, perché significa che questi nuovi chip possono essere utilizzati con i laser tradizionali, che funzionano molto bene e sono ampiamente conosciuti. Significa che il nostro dispositivo è compatibile con le telecomunicazioni", ha sottolineato Benea-Chelmus. Ha aggiunto che i dispositivi miniaturizzati che inviano e ricevono segnali nella gamma dei terahertz potrebbero svolgere un ruolo chiave nei sistemi mobili di sesta generazione (6G).
Nel mondo dell'ottica, Benea-Chelmus intravede un potenziale particolare per i chip miniaturizzati in niobato di litio nella spettroscopia e nell'imaging. Oltre a essere non ionizzanti, le onde terahertz hanno un'energia molto inferiore rispetto a molti altri tipi di onde (come i raggi X) attualmente utilizzati per fornire informazioni sulla composizione di un materiale, che si tratti di un osso o di un dipinto a olio. Un dispositivo compatto e non distruttivo come il chip in niobato di litio potrebbe quindi rappresentare un'alternativa meno invasiva alle attuali tecniche spettrografiche.
"Si potrebbe immaginare di inviare radiazioni terahertz attraverso un materiale di interesse e analizzarle per misurarne la risposta, in base alla sua struttura molecolare. Tutto questo con un dispositivo più piccolo di una capocchia di fiammifero", ha spiegato.
Successivamente, Benea-Chelmus prevede di concentrarsi sulla modifica delle proprietà delle guide d'onda e delle antenne del chip per progettare forme d'onda con ampiezze maggiori e frequenze e tassi di decadimento più precisi. Vede anche il potenziale della tecnologia terahertz sviluppata nel suo laboratorio per applicazioni quantistiche.
"Ci sono molte domande fondamentali da affrontare; ad esempio, siamo interessati a capire se possiamo utilizzare questi chip per generare nuovi tipi di radiazione quantistica manipolabili su scale temporali estremamente brevi. Tali onde nella scienza quantistica possono essere utilizzate per controllare oggetti quantistici", ha concluso.
Data di pubblicazione: 14 febbraio 2023
