Теперь исследователи из Принстонского университета резко сократили большую часть этого оборудования: перешли от настольной установки с лазерами и зеркалами к паре микрочипов, достаточно маленьких, чтобы поместиться на кончике пальца.В двух статьях, недавно опубликованных в журнале IEEE Journal of Solid State Circuits, исследователи описывают один микрочип, который может генерировать терагерцовые волны, и второй чип, который может захватывать и считывать сложные детали этих волн.
«Система реализована на основе той же технологии кремниевого чипа, которая питает все современные электронные устройства от смартфонов до планшетов, и поэтому ее производство в больших масштабах стоит всего несколько долларов», — сказал ведущий исследователь Каушик Сенгупта, доцент кафедры электротехники из Принстона.Волны терагерцового диапазона являются частью электромагнитного спектра — широкого класса волн, который включает радио, рентгеновские лучи и видимый свет — и находятся между микроволновым и инфракрасным световыми диапазонами. Волны обладают некоторыми уникальными характеристиками, которые делают их интересными для науки.
Во-первых, они проходят через большинство непроводящих материалов, поэтому их можно использовать, чтобы заглядывать через одежду или коробки в целях безопасности, а поскольку они обладают меньшей энергией, чем рентгеновские лучи, они не повреждают ткани или ДНК человека.Волны терагерцового диапазона также по-разному взаимодействуют с различными химическими веществами, поэтому их можно использовать для характеристики определенных веществ. По словам Сенгупты, возможность использовать световые волны для анализа материала, известная как спектроскопия, является одним из самых многообещающих и самых сложных приложений терагерцовой технологии.
Для этого ученые направляют на цель широкий спектр терагерцовых волн, а затем наблюдают, как волны меняются после взаимодействия с ней.
Человеческий глаз выполняет аналогичный тип спектроскопии с видимым светом — мы видим лист как зеленый, потому что свет с частотой зеленого света отражается от листа, насыщенного хлорофиллом.Проблема заключалась в том, что для генерации широкого диапазона терагерцовых волн и интерпретации их взаимодействия с целью требуется сложный набор оборудования, такого как громоздкие генераторы терагерцового диапазона или сверхбыстрые лазеры.
Размер и стоимость оборудования делают эту технологию непрактичной для большинства приложений.Исследователи годами работали над упрощением этих систем. В сентябре команда Сенгупты сообщила о способе уменьшить размер генератора терагерцового диапазона и устройства, которое интерпретирует возвращаемые волны в микросхему миллиметрового размера.
Решение состоит в том, чтобы заново представить, как работает антенна. Когда терагерцовые волны взаимодействуют с металлической структурой внутри чипа, они создают сложное распределение электромагнитных полей, которые уникальны для падающего сигнала.
Обычно эти тонкие поля игнорируются, но исследователи поняли, что они могут читать шаблоны как своего рода сигнатуру для идентификации волн. Весь процесс можно выполнить с помощью крошечных устройств внутри микрочипа, считывающих терагерцовые волны.
«Вместо того, чтобы непосредственно считывать волны, мы интерпретируем модели, созданные волнами», — сказал Сенгупта. «Это что-то похоже на поиск капель дождя по ряби, которую они создают в пруду».Дэниел Миттлман, профессор инженерии в Университете Брауна, сказал, что разработка была «очень новаторской работой, и она потенциально может иметь большое влияние».
Миттлман, который является вице-председателем Международного общества инфракрасных миллиметровых и терагерцовых волн, сказал, что ученым еще предстоит проделать работу, прежде чем терагерцовый диапазон можно будет использовать в повседневных устройствах, но разработки многообещающие.«Это очень большая головоломка, состоящая из множества частей, и это всего лишь одна, но очень важная задача», — сказал Миттлман, который знаком с работой, но не принимал в ней участия.Что касается терагерцового поколения, большая часть проблемы заключается в создании широкого диапазона длин волн в терагерцовом диапазоне, особенно в микрочипе. Исследователи поняли, что они могут решить эту проблему, генерируя на кристалле несколько длин волн.
Затем они использовали точную синхронизацию, чтобы объединить эти длины волн и создать очень резкие терагерцовые импульсы.В статье, опубликованной 14 декабря в журнале IEEE Journal of Solid State Circuits, исследователи объяснили, как они создали микросхему для генерации терагерцовых волн. Следующим шагом, по словам исследователей, будет расширение работы в терагерцовом диапазоне. «Прямо сейчас мы работаем с нижней частью терагерцового диапазона», — сказал Сюэ Ву, докторант Принстона в области электротехники и автор обеих статей.
«Что можно сделать с миллиардом транзисторов, работающих на терагерцовых частотах?» — спросил Сенгупта. «Только переосмыслив эти сложные электромагнитные взаимодействия на основе фундаментальных принципов, мы сможем изобрести новую технологию, которая изменит правила игры».