Các nhà nghiên cứu đã phát triển một con chip cực mỏng với mạch quang tử tích hợp có thể được sử dụng để khai thác cái gọi là khoảng cách terahertz - nằm giữa 0,3-30THz trong quang phổ điện từ - cho quang phổ học và hình ảnh.
Khoảng cách này hiện được coi là vùng chết công nghệ, mô tả tần số quá nhanh đối với các thiết bị điện tử và viễn thông hiện nay, nhưng lại quá chậm đối với các ứng dụng quang học và hình ảnh.
Tuy nhiên, con chip mới của các nhà khoa học hiện cho phép họ tạo ra sóng terahertz với tần số, bước sóng, biên độ và pha được điều chỉnh. Việc kiểm soát chính xác như vậy có thể cho phép khai thác bức xạ terahertz cho các ứng dụng thế hệ tiếp theo trong cả lĩnh vực điện tử và quang học.
Công trình được tiến hành giữa EPFL, ETH Zurich và Đại học Harvard đã được công bố trênTruyền thông thiên nhiên.
Cristina Benea-Chelmus, người đứng đầu nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Photonic lai (HYLAB) tại Trường Kỹ thuật của EPFL, giải thích rằng mặc dù sóng terahertz đã được tạo ra trong môi trường phòng thí nghiệm trước đây, nhưng các phương pháp tiếp cận trước đây chủ yếu dựa vào các tinh thể khối để tạo ra tần số phù hợp. Thay vào đó, việc phòng thí nghiệm của cô sử dụng mạch photonic, được làm từ lithium niobate và được khắc tinh xảo ở thang nanomet bởi các cộng sự tại Đại học Harvard, tạo nên một phương pháp tiếp cận hợp lý hơn nhiều. Việc sử dụng chất nền silicon cũng làm cho thiết bị phù hợp để tích hợp vào các hệ thống điện tử và quang học.
“Việc tạo ra sóng ở tần số rất cao là một thách thức cực kỳ lớn và có rất ít kỹ thuật có thể tạo ra chúng với các mẫu độc đáo”, bà giải thích. “Bây giờ chúng tôi có thể thiết kế hình dạng thời gian chính xác của sóng terahertz – về cơ bản là nói rằng, 'Tôi muốn một dạng sóng trông như thế này.'”
Để đạt được điều này, phòng thí nghiệm của Benea-Chelmus đã thiết kế cách sắp xếp các kênh của chip, được gọi là ống dẫn sóng, theo cách mà các ăng-ten cực nhỏ có thể được sử dụng để truyền sóng terahertz do ánh sáng từ sợi quang tạo ra.
“Thực tế là thiết bị của chúng tôi đã sử dụng tín hiệu quang học tiêu chuẩn thực sự là một lợi thế, vì điều đó có nghĩa là những con chip mới này có thể được sử dụng với laser truyền thống, hoạt động rất tốt và được hiểu rất rõ. Điều đó có nghĩa là thiết bị của chúng tôi tương thích với viễn thông”, Benea-Chelmus nhấn mạnh. Bà nói thêm rằng các thiết bị thu nhỏ gửi và nhận tín hiệu trong phạm vi terahertz có thể đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống di động thế hệ thứ sáu (6G).
Trong thế giới quang học, Benea-Chelmus nhìn thấy tiềm năng đặc biệt cho chip lithium niobate thu nhỏ trong quang phổ và hình ảnh. Ngoài việc không ion hóa, sóng terahertz có năng lượng thấp hơn nhiều loại sóng khác (như tia X) hiện đang được sử dụng để cung cấp thông tin về thành phần của vật liệu - cho dù đó là xương hay tranh sơn dầu. Do đó, một thiết bị nhỏ gọn, không phá hủy như chip lithium niobate có thể cung cấp một giải pháp thay thế ít xâm lấn hơn cho các kỹ thuật quang phổ hiện tại.
"Bạn có thể tưởng tượng việc gửi bức xạ terahertz qua một vật liệu mà bạn quan tâm và phân tích nó để đo phản ứng của vật liệu, tùy thuộc vào cấu trúc phân tử của nó. Tất cả những điều này từ một thiết bị nhỏ hơn đầu que diêm", cô nói.
Tiếp theo, Benea-Chelmus có kế hoạch tập trung vào việc điều chỉnh các đặc tính của ống dẫn sóng và ăng-ten của chip để chế tạo các dạng sóng có biên độ lớn hơn, tần số và tốc độ phân rã được điều chỉnh tốt hơn. Bà cũng thấy tiềm năng của công nghệ terahertz được phát triển trong phòng thí nghiệm của bà có thể hữu ích cho các ứng dụng lượng tử.
“Có nhiều câu hỏi cơ bản cần giải quyết; ví dụ, chúng tôi quan tâm đến việc liệu chúng tôi có thể sử dụng những con chip như vậy để tạo ra các loại bức xạ lượng tử mới có thể được điều khiển trong khoảng thời gian cực ngắn hay không. Những sóng như vậy trong khoa học lượng tử có thể được sử dụng để điều khiển các vật thể lượng tử”, bà kết luận.
Thời gian đăng: 14-02-2023
