Университет ИТМО. Фотография антенн на квантовых точках

Квантовые точки уменьшили размеры терагерцовых устройств

Ученые из России и Великобритании разработали антенну, которая поможет уменьшить источники терагерцового излучения и уместить генератор на кончике пальца. Новая антенна представляет собой «сэндвич» из слоев полупроводника и квантовых точек. Разработчики показали, что на основе таких антенн можно построить новый тип универсальных систем, как генерирующих, так и принимающих терагерцовое излучение. Компактные приборы, работающие в терагерцовом диапазоне, пригодятся в медицине и биологии для визуализации опухолей, а также в космической индустрии для создания высокоскоростных систем связи. Исследование опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.

Диапазон терагерцового излучения находится между инфракрасным спектром и СВЧ. Терагерцовые волны способны проникать сквозь живые ткани, но в отличие от рентгеновских лучей не являются ионизирующими. Поэтому большой интерес для медицины представляет создание компактных терагерцовых микроскопов, способных получать изображения тканей в естественных условиях. Также на основе терагерцовых волн разрабатываются высокоскоростные системы связи для космических аппаратов, где размеры оборудования играют определяющую роль.

Исследователи из Астонского университета и Университета ИТМО разработали антенну, которая поможет многократно уменьшить источники терагерцового излучения. В изготовлении и изучении антенн ученым помогли сотрудники Университета Стратклайда и Университета Шеффилда, а также компания TeraVil Ltd и Центр физических наук и технологии в Вильнюсе.

Компьютерная модель антенны. Полупроводниковые слои в нижней части образца отражают непревращенное лазерное излучение
Компьютерная модель антенны. Полупроводниковые слои в нижней части образца отражают непревращенное лазерное излучение

«Это был технологический вызов, — говорит руководитель проекта Эдик Рафаилов, профессор Астонского института фотонных технологий и ведущий инженер Университета ИТМО. — Мы показали, что квантовые точки являются хорошей альтернативой обычным полупроводникам. Новая технология даст нам возможность генерировать терагерцы уже при комнатной температуре, а установки станут более компактными и дешевыми».

Сейчас для генерации терагерцового излучения применяются источники, принцип действия которых основан на превращении инфракрасного лазерного пучка в терагерцовый. Трансформация осуществляется с помощью сложных систем из волноводов, полупроводниковых кристаллов или диодов. Причем обычно источник терагерцового излучения играет также роль его регистратора. Поиск альтернативных принципов генерации и детектирования субмиллиметровых волн продолжается, однако пока такие устройства остаются большими, дорогими и работают только при низких температурах.

Антенны, разработанные учеными, позволят не только применять терагерцовые источники при комнатной температуре, но и миниатюризировать их.

Университет ИТМО. Андрей Городецкий
Университет ИТМО. Андрей Городецкий

«Мы сможем создавать очень компактные источники терагерцового излучения, которые поместятся на кончике пальца, — рассказывает ведущий автор статьи Андрей Городецкий, инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, научный сотрудник Астонского института фотонных технологий. — С помощью новых антенн нам удалось снять ограничение, связанное с узким световым спектром, в котором работают современные преобразователи. Это дает возможность совмещать антенны с компактными инфракрасными лазерами. Кроме того, антенны в 20 раз более устойчивы к разрушению, чем обычные полупроводниковые устройства. Оба эти фактора позволят сделать антенну частью лазера, а не выводить отдельно».

Ученые предлагают использовать разработку при создании высокоскоростных систем связи и компактных терагерцовых микроскопов, которые позволяют получать динамические изображения глубоких слоев кожи, изучать развитие эмбрионов, процессы, происходящие в мозге и других внутренних органах, а также в опухолях. Такое излучение значительно меньше рассеивается в биообъектах в отличие от инфракрасного и видимого света. В результате терагерцовые системы будут обладать большей информативностью, чувствительностью и быстродействием, чем их аналоги, работающие в других частях электромагнитного спектра.

Статья: Ross R. Leyman, Andrei Gorodetsky, Natalia Bazieva, Gediminas Molis, Arunas Krotkus, Edmund Clarke, and Edik U. Rafailov, Quantum dot materials for terahertz generation applications, Laser & Photonics Reviews, 2016.

Центр научной коммуникации
Архив по годам:
Пресс-служба