Ультратонкий терагерц-источник движет технологии связи следующего поколения

Физики из Суссексского университета разработали экстремально тонкий, большой площади полупроводниковый поверхностный источник терагерц, состоящий всего из нескольких атомных слоев и совместимый с существующими электронными платформами.

Терагерц-источники излучают короткие световые импульсы, колеблющиеся триллионы раз в секунду. В этом масштабе они слишком быстры для обработки стандартной электроникой и, до недавнего времени, слишком медленные для оптических технологий. Это имеет огромное значение для эволюции ультрабыстрых коммуникационных устройств выше предела 300 ГГц — такого, как требуемый для 6G мобильной технологии — что все еще принципиально выходит за пределы текущей электроники. Исследователи в лаборатории Emergent Photonics (EPic) в Суссексе являются лидерами в технологии поверхностного терагерцевого излучения, добившись самых ярких и тонких полупроводниковых поверхностных источников, демонстрированных на данный момент. Область излучения их новой разработки, полупроводникового источника терагерц, в 10 раз тоньше, чем ранее достигалось, с сопоставимой или даже лучшей производительностью.

Тонкие слои можно размещать поверх существующих объектов и устройств — терагерц-источник можно разместить в местах, которые ранее были немыслимы, включая повседневные предметы, такие как чайник или даже произведение искусства — открывая огромный потенциал для антиконтрафактности и интернета вещей — а также ранее несовместимых электроник, таких как мобильные телефоны следующего поколения.

Доктор Люк Питерс, научный сотрудник проекта Европейского исследовательского совета TIMING в Суссексском университете, сказал: «Идея размещения терагерц-источников в недоступных местах имеет великую научную привлекательность, но на практике это очень сложно. Терагерц-излучение может играть выдающуюся роль в материаловедении, живых науках и безопасности. Тем не менее, оно все еще чуждо большей части существующей технологии, включая устройства, разговаривающие с повседневными объектами как часть быстро расширяющегося интернета вещей. Этот результат — веха на нашем пути приближения терагерц-функций к нашей повседневной жизни».

Находясь между микроволнами и инфракрасным в электромагнитном спектре, терагерц-волны — форма излучения, высоко востребованная в исследовании и индустрии. Они имеют естественную способность раскрывать материаловый состав объекта, легко проникая сквозь обычные материалы, такие как бумага, одежда и пластик, так же, как рентгеновские лучи, но без вредности. Терагерц-визуализация позволяет «видеть» молекулярный состав объектов и различать различные материалы. Предыдущие разработки демонстрировали потенциальные применения терагерц-камер, которые могут быть трансформирующими в аэропортской безопасности, и медицинских сканерах — таких как используемые для обнаружения кожи рака.

Одной из крупнейших проблем, с которыми сталкиваются ученые, работающие в терагерц-технологии, является то, что то, что обычно принимается за «интенсивный терагерц-источник», слаб и громоздок по сравнению с, например, лампочкой. Во многих случаях потребность в очень экзотических материалах, таких как нелинейные кристаллы, делает их неудобными и дорогими. Это требование создает логистические проблемы для интеграции с другими технологиями, такими как сенсоры и ультрабыстрые коммуникации.

Команда Суссекса преодолела эти ограничения, разработав терагерц-источники из экстремально тонких материалов (около 25 атомных слоев). Освещая электронно-качественный полупроводник двумя разными типами лазерного света, каждый колеблющийся на другой частоте — или цвете — они смогли вызвать излучение коротких всплесков терагерц-излучения.

Этот научный прорыв долгое время искали ученые, работающие в этой области, с момента первой демонстрации терагерц-источников на основе двухцветных лазеров в начале 2000-х. Двухцветные терагерц-источники на основе специальных смесей газов, таких как азот, аргон или криптон, являются среди лучших по производительности источниками сегодня. Полупроводники, широко используемые в электронных технологиях, оставались в основном недоступными для этого типа механизма генерации терагерц.