Forskare vid Princeton University har drastiskt krympt utrustningen för att producera terahertz - viktiga elektromagnetiska pulser som varar en miljonedel av en sekund i en sekund - från en bordsskiva med lasrar och speglar till ett par mikrochips som är tillräckligt små för att passa på en fingertopp (ovan) . Det enklare, billigare generation av terahertz har potential för framsteg inom medicinsk bildbehandling, kommunikation och läkemedelsutveckling. Kredit:Frank Wojciechowski för Office of Engineering Communications
Elektromagnetiska pulser som varar en miljonedel av en miljondels sekund kan vara nyckeln till framsteg inom medicinsk bildbehandling, kommunikation och läkemedelsutveckling. Men pulserna, kallade terahertzvågor, har länge krävt utarbetad och dyr utrustning att använda.
Nu, forskare vid Princeton University har drastiskt krympt mycket av den utrustningen:att flytta från en bordsskiva med lasrar och speglar till ett par mikrochips som är tillräckligt små för att passa på en fingertopp.
I två artiklar nyligen publicerade i IEEE Journal of Solid State Circuits , forskarna beskriver ett mikrochip som kan generera terahertzvågor, och ett andra chip som kan fånga och läsa invecklade detaljer om dessa vågor.
"Systemet är realiserat i samma kiselchipteknik som driver alla moderna elektroniska enheter från smartphones till surfplattor, och kostar därför bara några dollar att göra i stor skala, säger ledande forskare Kaushik Sengupta, en Princeton biträdande professor i elektroteknik.
Terahertz -vågor är en del av det elektromagnetiska spektrumet - den breda klassen av vågor som inkluderar radio, Röntgenstrålar och synligt ljus-och sitta mellan mikrovågsugnen och det infraröda ljusvågbandet. Vågorna har några unika egenskaper som gör dem intressanta för vetenskapen. För en, de passerar genom de flesta icke-ledande material, så att de kunde användas för att titta igenom kläder eller lådor av säkerhetsskäl, och eftersom de har mindre energi än röntgenstrålar, de skadar inte mänsklig vävnad eller DNA.
Terahertz -vågor interagerar också på olika sätt med olika kemikalier, så de kan användas för att karakterisera specifika ämnen. Känd som spektroskopi, förmågan att använda ljusvågor för att analysera material är en av de mest lovande - och de mest utmanande - tillämpningarna av terahertz -teknik, Sa Sengupta.
Att göra det, forskare lyser ett brett spektrum av terahertzvågor på ett mål och observerar sedan hur vågorna förändras efter interaktion med det. Det mänskliga ögat utför en liknande typ av spektroskopi med synligt ljus-vi ser ett blad som grönt eftersom ljuset i det gröna ljusets frekvens studsar av det klorofyllfyllda bladet.
I två nyligen publicerade artiklar, forskare Kaushik Sengupta (vänster), en biträdande professor i elektroteknik, och Xue Wu (höger), en Princeton doktorand i datavetenskap, beskriv ett mikrochip som kan generera terahertzvågor, och ett andra chip som kan fånga och läsa invecklade detaljer om dessa vågor. Terahertz -vågor sitter mellan mikrovågsugnen och infraröda ljusvågband på det elektromagnetiska spektrumet och har unika egenskaper, såsom förmågan att passera genom de flesta icke-ledande material som kläder eller lådor utan att skada mänsklig vävnad eller DNA. Kredit:Princeton University
Utmaningen har varit att generering av ett brett spektrum av terahertzvågor och tolkning av deras interaktion med ett mål kräver en komplex uppsättning utrustning som skrymmande terahertzgeneratorer eller ultrasnabba lasrar. Utrustningens storlek och kostnad gör tekniken opraktisk för de flesta applikationer.
Forskare har arbetat i flera år för att förenkla dessa system. I september, Senguptas team rapporterade ett sätt att minska storleken på terahertzgeneratorn och apparaten som tolkar de återkommande vågorna till ett millimeterstort chip. Lösningen ligger i att återbilda hur en antenn fungerar. När terahertzvågor interagerar med en metallstruktur inuti chipet, de skapar en komplex fördelning av elektromagnetiska fält som är unika för infallsignalen. Vanligtvis, dessa subtila fält ignoreras, men forskarna insåg att de kunde läsa mönstren som en sorts signatur för att identifiera vågorna. Hela processen kan åstadkommas med små enheter inuti mikrochipet som läser terahertzvågor.
"Istället för att direkt läsa vågorna, vi tolkar mönstren som skapas av vågorna, "Sade Sengupta." Det är ungefär som att leta efter ett mönster av regndroppar vid krusningarna de gör i en damm. "
Daniel Mittleman, professor i teknik vid Brown University, sa att utvecklingen var "ett mycket innovativt arbete, och det har potentiellt stor inverkan." Mittleman, som är vice ordförande för International Society for Infrared Millimeter and Terahertz Waves, sa att forskare fortfarande har arbete att göra innan terahertz -bandet kan börja användas i vardagliga enheter, men utvecklingen är lovande.
"Det är ett mycket stort pussel med många bitar, och detta är bara en, men det är mycket viktigt, "sa Mittleman, som är bekant med arbetet men inte hade någon roll i det.
I slutet av terahertz-generationen, mycket av utmaningen är att skapa ett brett spektrum av våglängder inom terahertzbandet, särskilt i ett mikrochip. Forskarna insåg att de kunde övervinna problemet genom att generera flera våglängder på chipet. De använde sedan exakt timing för att kombinera dessa våglängder och skapa mycket skarpa terahertz -pulser.
I en artikel publicerad 14 december i IEEE Journal of Solid State Circuits , forskarna förklarade hur de skapade ett chip för att generera terahertzvågorna. Nästa steg, sa forskarna, är att förlänga arbetet längre ut längs terahertzbandet. "Just nu arbetar vi med den nedre delen av terahertzbandet, "sa Xue Wu, en doktorand i elektroteknik i Princeton och författare till båda artiklarna.
"Vad kan du göra med en miljard transistorer som arbetar vid terahertz -frekvenser?" Frågade Sengupta. "Endast genom att föreställa oss dessa komplexa elektromagnetiska interaktioner utifrån grundläggande principer kan vi hitta på ny teknik som förändrar spelet."
