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 è attualmente una sorta di zona morta tecnologica, che descrive frequenze troppo veloci per i dispositivi elettronici e di telecomunicazione di oggi, ma troppo lente per le applicazioni di ottica e imaging.
Tuttavia, il nuovo chip degli scienziati ora consente loro di produrre onde terahertz con frequenza, lunghezza d'onda, ampiezza e fase su misura.Un controllo così preciso potrebbe consentire di sfruttare la radiazione terahertz per applicazioni di prossima generazione sia nel campo elettronico che in quello ottico.
Il lavoro, condotto tra l'EPFL, l'ETH di Zurigo e l'Università di Harvard, è stato pubblicato inComunicazioni sulla natura.
Cristina Benea-Chelmus, che ha guidato la ricerca nel Laboratorio di fotonica ibrida (HYLAB) presso la School of Engineering dell'EPFL, ha spiegato che mentre le onde terahertz sono state prodotte in un ambiente di laboratorio prima, gli approcci precedenti si sono basati principalmente su cristalli sfusi per generare il giusto frequenze.Invece, l'uso da parte del suo laboratorio del circuito fotonico, realizzato in niobato di litio e finemente inciso su scala nanometrica dai collaboratori dell'Università di Harvard, rende l'approccio molto più snello.L'utilizzo di un substrato di silicio rende inoltre il dispositivo idoneo all'integrazione in sistemi elettronici ed ottici.
"La generazione di onde a frequenze molto elevate è estremamente impegnativa e ci sono pochissime tecniche in grado di generarle con schemi unici", ha spiegato."Ora siamo in grado di progettare l'esatta forma temporale delle onde terahertz, per dire essenzialmente: '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, chiamati guide d'onda, in modo tale che le antenne microscopiche potessero essere utilizzate per trasmettere le onde terahertz generate dalla luce dalle 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 molto 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 vede un potenziale particolare per i chip di niobato di litio miniaturizzati nella spettroscopia e nell'imaging.Oltre ad essere non ionizzanti, le onde terahertz hanno un'energia molto inferiore rispetto a molti altri tipi di onde (come i raggi X) attualmente utilizzate 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 fornire un'alternativa meno invasiva alle attuali tecniche spettrografiche.
“Potresti immaginare di inviare radiazioni terahertz attraverso un materiale che ti interessa e analizzarlo per misurare la risposta del materiale, a seconda della sua struttura molecolare.Tutto questo da un dispositivo più piccolo di una testa di fiammifero", ha detto.
Successivamente, Benea-Chelmus prevede di concentrarsi sull'ottimizzazione delle proprietà delle guide d'onda e delle antenne del chip per progettare forme d'onda con ampiezze maggiori e frequenze e velocità di decadimento più finemente sintonizzate.Vede anche il potenziale per la tecnologia terahertz sviluppata nel suo laboratorio per essere utile per le applicazioni quantistiche.
“Ci sono molte domande fondamentali da affrontare;per esempio, siamo interessati a sapere se possiamo usare tali chip per generare nuovi tipi di radiazione quantistica che possono essere manipolati su scale temporali estremamente brevi.Tali onde nella scienza quantistica possono essere utilizzate per controllare oggetti quantistici", ha concluso.
Tempo di pubblicazione: 14-febbraio-2023