Elektromagnetische pulsen van een miljoenste van een miljoenste van een seconde kunnen de sleutel zijn tot vooruitgang in medische beeldvorming, communicatie en medicijnontwikkeling. Maar de pulsen, terahertz-golven genoemd, hebben lang ingewikkelde en dure apparatuur nodig om te gebruiken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Princeton University hebben veel van die apparatuur drastisch gekrompen:van een tafelopstelling met lasers en spiegels naar een paar microchips die klein genoeg zijn om op een vingertop te passen.

In twee recentelijk gepubliceerde artikelen in de IEEE Journal of Solid State Circuits , de onderzoekers beschrijven één microchip die terahertz-golven kan genereren, en een tweede chip die ingewikkelde details van deze golven kan vastleggen en lezen.

"Het systeem is gerealiseerd in dezelfde siliciumchiptechnologie die alle moderne elektronische apparaten van stroom voorziet, van smartphones tot tablets, en daarom kost het maar een paar dollar om op grote schaal te maken", zegt hoofdonderzoeker Kaushik Sengupta, een Princeton-assistent-professor in de elektrotechniek.

Terahertz-golven maken deel uit van het elektromagnetische spectrum - de brede klasse van golven die radio, Röntgenstralen en zichtbaar licht - en zitten tussen de golfbanden van de magnetron en infraroodlicht. De golven hebben een aantal unieke kenmerken die ze interessant maken voor de wetenschap. Voor een, ze gaan door het meeste niet-geleidende materiaal, zodat ze kunnen worden gebruikt om door kleding of dozen te kijken voor veiligheidsdoeleinden, en omdat ze minder energie hebben dan röntgenstralen, ze beschadigen geen menselijk weefsel of DNA.

Terahertz-golven werken ook op verschillende manieren samen met verschillende chemicaliën, zodat ze kunnen worden gebruikt om specifieke stoffen te karakteriseren. Bekend als spectroscopie, het vermogen om lichtgolven te gebruiken om materiaal te analyseren is een van de meest veelbelovende en de meest uitdagende toepassingen van terahertz-technologie, zei Sengupta.

Om het te doen, wetenschappers schijnen een breed scala aan terahertz-golven op een doelwit en observeren vervolgens hoe de golven veranderen na interactie ermee. Het menselijk oog voert een soortgelijk type spectroscopie uit met zichtbaar licht - we zien een blad als groen omdat licht in de groene lichtfrequentie weerkaatst op het met chlorofyl beladen blad.

De uitdaging was dat het genereren van een breed scala aan terahertz-golven en het interpreteren van hun interactie met een doelwit een complexe reeks apparatuur vereist, zoals omvangrijke terahertz-generatoren of ultrasnelle lasers. De afmetingen en kosten van de apparatuur maken de technologie onpraktisch voor de meeste toepassingen.

Onderzoekers werken al jaren aan het vereenvoudigen van deze systemen. In september, Het team van Sengupta rapporteerde een manier om de grootte van de terahertz-generator en het apparaat dat de terugkerende golven interpreteert, te verkleinen tot een millimetergrote chip. De oplossing ligt in het opnieuw in beeld brengen van hoe een antenne functioneert. Wanneer terahertz-golven interageren met een metalen structuur in de chip, ze creëren een complexe verdeling van elektromagnetische velden die uniek zijn voor het invallende signaal. Typisch, deze subtiele velden worden genegeerd, maar de onderzoekers realiseerden zich dat ze de patronen konden lezen als een soort handtekening om de golven te identificeren. Het hele proces kan worden bereikt met kleine apparaten in de microchip die terahertz-golven lezen.

"In plaats van direct de golven te lezen, we interpreteren de patronen die door de golven zijn gecreëerd, "Zei Sengupta. "Het lijkt een beetje op het zoeken naar een patroon van regendruppels door de rimpelingen die ze in een vijver maken."

Daniël Mittman, een professor in de techniek aan de Brown University, zei dat de ontwikkeling "een zeer innovatief stuk werk was, en het heeft potentieel veel impact." Mittleman, wie is de vice-voorzitter van de International Society for Infrared Millimeter and Terahertz Waves, zei dat wetenschappers nog werk te doen hebben voordat de terahertz-band kan worden gebruikt in alledaagse apparaten, maar de ontwikkelingen zijn veelbelovend.

"Het is een hele grote puzzel met veel stukjes, en dit is er maar één, maar het is wel een heel belangrijke " zei Mittelman, die bekend is met het werk maar er geen rol in had.

Aan het einde van de terahertz-generatie, een groot deel van de uitdaging is het creëren van een breed scala aan golflengten binnen de terahertz-band, vooral in een microchip. De onderzoekers realiseerden zich dat ze het probleem konden oplossen door meerdere golflengten op de chip te genereren. Vervolgens gebruikten ze nauwkeurige timing om deze golflengten te combineren en zeer scherpe terahertz-pulsen te creëren.

In een artikel gepubliceerd op 14 december in de IEEE Journal of Solid State Circuits , de onderzoekers legden uit hoe ze een chip maakten om de terahertz-golven te genereren. De volgende stap, zeiden de onderzoekers, is om het werk verder uit te breiden langs de terahertzband. "Op dit moment werken we met het onderste deel van de terahertz-band, " zei Xue Wu, een Princeton-promovendus in elektrotechniek en auteur van beide artikelen.

"Wat kun je doen met een miljard transistors die werken op terahertz-frequenties?" vroeg Sengupta. "Alleen door deze complexe elektromagnetische interacties opnieuw te bedenken vanuit fundamentele principes, kunnen we baanbrekende nieuwe technologie uitvinden."