قام باحثون بتطوير شريحة رقيقة للغاية تحتوي على دائرة فوتونية متكاملة يمكن استخدامها لاستغلال ما يسمى فجوة التيراهيرتز - والتي تقع بين 0.3-30 تيراهرتز في الطيف الكهرومغناطيسي - من أجل التحليل الطيفي والتصوير.
إن هذه الفجوة تشكل حالياً نوعاً من المنطقة الميتة من الناحية التكنولوجية، فهي تصف الترددات التي تعتبر سريعة للغاية بالنسبة للأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاتصالات الحالية، ولكنها بطيئة للغاية بالنسبة لتطبيقات البصريات والتصوير.
ومع ذلك، تُمكّن رقاقة العلماء الجديدة الآن من إنتاج موجات تيراهرتز بتردد وطول موجي وسعات وطور مُصممة خصيصًا. ويُمكّن هذا التحكم الدقيق من تسخير إشعاعات تيراهرتز لتطبيقات الجيل القادم في المجالين الإلكتروني والبصري.
تم نشر العمل الذي تم إجراؤه بالتعاون بين EPFL و ETH Zurich وجامعة هارفارد فياتصالات الطبيعة.
أوضحت كريستينا بينيا-شيلموس، التي قادت البحث في مختبر الفوتونيات الهجينة (HYLAB) بكلية الهندسة في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان، أنه على الرغم من إنتاج موجات تيراهرتز في بيئة مختبرية سابقًا، إلا أن المناهج السابقة اعتمدت بشكل أساسي على بلورات كبيرة الحجم لتوليد الترددات المناسبة. وبدلاً من ذلك، فإن استخدام مختبرها للدائرة الفوتونية، المصنوعة من نيوبات الليثيوم والمُحفورة بدقة على مقياس النانومتر بواسطة زملاء في جامعة هارفارد، يُتيح نهجًا أكثر انسيابية. كما أن استخدام ركيزة السيليكون يجعل الجهاز مناسبًا للدمج في الأنظمة الإلكترونية والبصرية.
أوضحت قائلةً: "إن توليد موجات بترددات عالية جدًا أمرٌ بالغ الصعوبة، وهناك تقنياتٌ قليلةٌ جدًا قادرةٌ على توليدها بأنماطٍ فريدة. أصبحنا الآن قادرين على هندسة الشكل الزمني الدقيق لموجات التيراهرتز - أي ببساطة: 'أريد شكل موجةٍ كهذا'".
ولتحقيق هذه الغاية، صمم مختبر بينيا-تشيلموس ترتيب القنوات في الشريحة، والتي تسمى الموجهات الموجية، بطريقة تسمح باستخدام الهوائيات المجهرية لبث موجات تيراهرتز التي يولدها الضوء من الألياف البصرية.
أكدت بينيا-شيلموس قائلةً: "إن استخدام جهازنا بالفعل لإشارة بصرية قياسية يُعد ميزةً حقيقية، إذ يعني إمكانية استخدام هذه الرقاقات الجديدة مع أشعة الليزر التقليدية، التي تعمل بكفاءة عالية ومفهومة جيدًا. وهذا يعني أن جهازنا متوافق مع الاتصالات". وأضافت أن الأجهزة المصغّرة التي ترسل وتستقبل إشارات في نطاق التيراهرتز يمكن أن تلعب دورًا رئيسيًا في أنظمة الجيل السادس للهواتف المحمولة (6G).
في عالم البصريات، يرى بينيا-شيلموس إمكاناتٍ كبيرةً لرقائق نيوبات الليثيوم المصغّرة في مجال التحليل الطيفي والتصوير. فبالإضافة إلى كونها غير مؤيّنة، تتميّز موجات التيراهرتز بطاقةٍ أقلّ بكثير من أنواعٍ أخرى من الموجات (مثل الأشعة السينية) المُستخدمة حاليًا لتوفير معلوماتٍ حول تركيب المادة - سواءً كانت عظمًا أو لوحةً زيتية. لذا، يُمكن لجهازٍ صغير الحجم وغير مُدمّر، مثل رقاقة نيوبات الليثيوم، أن يُوفّر بديلًا أقلّ تدخلًا لتقنيات التحليل الطيفي الحالية.
يمكنك تخيّل إرسال إشعاع تيراهرتز عبر مادة تهمك، وتحليلها لقياس استجابة المادة، بناءً على بنيتها الجزيئية. كل هذا من جهاز أصغر من رأس عود ثقاب، كما قالت.
تخطط بينيا-شيلموس للتركيز لاحقًا على تعديل خصائص الموجهات الموجية والهوائيات في الشريحة لتصميم أشكال موجية ذات سعات أكبر، وترددات ومعدلات انحلال أدق. كما ترى إمكانية استخدام تقنية التيراهيرتز التي طورتها في مختبرها في التطبيقات الكمومية.
هناك العديد من الأسئلة الأساسية التي يجب معالجتها؛ على سبيل المثال، نحن مهتمون بمعرفة ما إذا كان بإمكاننا استخدام هذه الرقاقات لتوليد أنواع جديدة من الإشعاع الكمي يمكن التحكم بها في فترات زمنية قصيرة للغاية. يمكن استخدام هذه الموجات في علم الكم للتحكم في الأجسام الكمومية، كما خلصت.
وقت النشر: ١٤ فبراير ٢٠٢٣
