Ett gemensamt team av fysiker från Skoltech, MIPT och ITMO utvecklade en optisk komponent som hjälper till att hantera egenskaperna hos en terahertzstråle och dela upp den i flera kanaler. Den nya enheten kan användas som en modulator och generator av terahertz virvelstrålar inom medicin, 6G-kommunikation och mikroskopi. Uppsatsen visas i tidskriften Advanced Optical Materials .
Den snabbt utvecklande terahertz-tekniken involverar överföring av signaler på cirka 1 biljon hertz, eller 1 THz – mellan mikrovågs- och infrarödfrekvensbanden. Den kommer att användas i höghastighets 6G-kommunikation, såväl som inom medicin, som ett alternativ till röntgenstrålar. Forskare fokuserar för närvarande på att skapa optiska komponenter anpassade till dessa frekvenser, och generatorer som kan användas för att överföra sådana signaler.
Fysiker från MIPT och Skoltech har tillsammans utvecklat en varifokal Fresnel-zonplatta baserad på kolnanorör som möjliggör fokusering av THz-strålning och avstämning av plattans egenskaper genom sträckning. I sin senaste studie gick forskarna ihop med ITMO för att syntetisera en optisk komponent som fungerar i THz-området.
"Tillsammans med Skoltech och ITMO vann vi Clover-tävlingen för ett gemensamt forskningsprojekt inom fotonik och bestämde oss för att skapa en spiralzonplatta. ITMO utförde designberäkningar för plattans form och beteende, Skoltech syntetiserade nanomaterial och tillverkade en platta med avsett geometri, och MIPT testade plattan experimentellt med hjälp av faciliteterna hos General Physics Institute of RAS", säger Maria Burdanova, seniorforskare vid MIPT:s Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.
Den nya plattan är gjord av en tunn film av kolnanorör och vrider vågfronten på THz-strålen som passerar genom den. I experimentet placerade teamet två plattor sida vid sida och roterade dem sedan i förhållande till varandra, ändrade fördelningen av strålningsintensiteten och delade upp strålen i flera områden (lägen) med olika strålningsintensiteter, som var och en kunde användas som en kanal för informationsöverföring.
Teamet testade experimentellt plattans egenskaper med hjälp av THz-avbildningsmetoden. En kraftfull strålningskälla riktades mot plattan och fördelningen av det elektromagnetiska fältets intensitet detekterades med hjälp av en subvåglängdsöppning och ett 2D-rasterskanningssystem baserat på en Golay-cell. Forskarna använde den resulterande bilden för att se till att plattan producerade en vriden stråle och för att kontrollera intensitetsmönstret.
Den nya modulatorn är lämplig för en mängd olika tillämpningar, inklusive THz-mikroskopi och biomedicin, som kräver fokusering och ompositionering av strålen.
"Att utnyttja THz-bandet är en viktig utmaning på grund av bristen på enhetliga instrumenterings- och enhetsstandarder. Samtidigt öppnar det dörren till konkurrenskraftig forskning och skapandet av geniala lösningar. En av nyckelfunktionerna som lyfter fram utsikterna för kol nanorör är möjligheten att skapa multifunktionella enheter med egenskaper som kan finjusteras av olika effekter genom svar på atom-, supramolekylär- och mikronnivå.
"För första gången har vårt gemensamma team lyckats introducera en ytterligare effekt:interaktion mellan olika nanorörsmönster. Detta banar väg för framtida enheter. Otroligt nog tog forskningen mindre än nio månader från ursprunglig idé till proof-of-concept - ett av de snabbaste projekten i min karriär hittills.
"Det här genombrottet hade inte varit möjligt utan den samlade ansträngningen från ITMO, MIPT och Skoltech. Detta understryker potentialen hos såddprogram för att förbättra inhemskt samarbete mellan ryska forskarlag", kommenterade Dmitry Krasnikov, docent vid Skoltech Photonics.
"Vårt Clover-projekt har förlängts för i år. Vi planerar att tillverka en THz adaptiv varifokal enhet baserad på samma spiralzonplattor, men utökad med manipulationsmöjligheter. Vi förväntar oss också att lämna in en patentansökan för den enhet vi redan har." Burdanova lade till.
2023 lanserade Skoltech, MIPT och ITMO University initiativet Clover för att stödja forskningssamarbete och främja samarbete mellan landets tre ledande universitet inom fotonikområdet. Med sin orientering mot studenter, forskare och postdoktorer som börjar sin vetenskapliga karriär, engagerar Clover dem i frontlinjeforskningsprojekt och underlättar rörlighet mellan toppforskarteam.
Det långsiktiga målet är att initiera storskaliga program inom fotonik och relaterade områden i Ryssland. Clover-tävlingen samlade toppforskare som arbetar inom biofotonik, avancerade fotoniska material, topologisk fotonik, optisk beräkning och laserfysik och -teknologi.
