Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Natuurkundigen creëren een optische component voor 6G

Fabricageproces van spiraalvormige zoneplaten. Credit:Arina Radivon et al.

Een gezamenlijk team van natuurkundigen van Skoltech, MIPT en ITMO heeft een optische component ontwikkeld die helpt bij het beheren van de eigenschappen van een terahertz-straal en deze in verschillende kanalen opsplitst. Het nieuwe apparaat kan worden gebruikt als modulator en generator van terahertz-vortexbundels in de geneeskunde, 6G-communicatie en microscopie. Het artikel verschijnt in het tijdschrift Advanced Optical Materials .



De snel evoluerende terahertz-technologie omvat de overdracht van signalen op ongeveer 1 biljoen hertz, of 1 THz, tussen de microgolf- en de infrarode frequentiebanden. Het zal worden gebruikt in snelle 6G-communicatie, maar ook in de geneeskunde, als alternatief voor röntgenstraling. Onderzoekers concentreren zich momenteel op het creëren van optische componenten die zijn aangepast aan deze frequenties, en generatoren die kunnen worden gebruikt om dergelijke signalen uit te zenden.

Natuurkundigen van MIPT en Skoltech hebben gezamenlijk een varifocale Fresnel-zoneplaat ontwikkeld op basis van koolstofnanobuisjes die het mogelijk maakt THz-straling te focussen en de eigenschappen van de plaat af te stemmen door uit te rekken. In hun recente onderzoek hebben de onderzoekers hun krachten gebundeld met ITMO om een ​​optische component te synthetiseren die werkt in het THz-bereik.

"Samen met Skoltech en ITMO hebben we de Clover-wedstrijd gewonnen voor een gezamenlijk onderzoeksproject op het gebied van fotonica en besloten we een spiraalvormige zoneplaat te maken. ITMO voerde ontwerpberekeningen uit voor de vorm en het gedrag van de plaat, Skoltech synthetiseerde nanomaterialen en vervaardigde een plaat met de beoogde geometrie, en MIPT heeft de plaat experimenteel getest met behulp van de faciliteiten van het General Physics Institute of RAS", zegt Maria Burdanova, senior onderzoeker bij MIPT's Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.

De nieuwe plaat is gemaakt van een dunne film van koolstofnanobuisjes en verdraait het golffront van de THz-straal die erdoorheen gaat. In het experiment plaatste het team twee platen naast elkaar en draaide ze vervolgens ten opzichte van elkaar, waardoor de verdeling van de stralingsintensiteit veranderde en de bundel werd opgesplitst in verschillende gebieden (modi) met verschillende stralingsintensiteiten, die elk als een stralingsintensiteit konden worden gebruikt. kanaal voor informatieoverdracht.

Voorbeeld van ruimtelijke verdeling van bundelintensiteiten en fasen nabij de modulatorfocus. Credit:gewijzigd ten opzichte van Arina Radivon et al.

Het team testte de eigenschappen van de plaat experimenteel met behulp van de THz-beeldvormingsmethode. Een krachtige stralingsbron werd op de plaat gericht en de verdeling van de elektromagnetische veldintensiteit werd gedetecteerd met behulp van een diafragma onder de golflengte en een 2D-rasterscansysteem op basis van een Golay-cel. De onderzoekers gebruikten het resulterende beeld om er zeker van te zijn dat de plaat een gedraaide straal produceerde en om het intensiteitspatroon te controleren.

De nieuwe modulator is geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder THz-microscopie en biogeneeskunde, waarbij focus en herpositionering van de straal nodig zijn.

“Het aanboren van de THz-band is een belangrijke uitdaging vanwege het gebrek aan uniforme instrumentatie- en apparaatstandaarden. Tegelijkertijd opent het de deur naar concurrerend onderzoek en het creëren van ingenieuze oplossingen. Een van de belangrijkste kenmerken die de vooruitzichten van koolstofdioxide benadrukken nanobuisjes biedt de mogelijkheid om multifunctionele apparaten te maken met eigenschappen die kunnen worden verfijnd door verschillende effecten via reacties op atomair, supramoleculair en micronniveau.

"Voor de eerste keer is ons gezamenlijke team erin geslaagd een bijkomend effect te introduceren:interactie van verschillende nanobuispatronen. Dit maakt de weg vrij voor toekomstige apparaten. Verbazingwekkend genoeg duurde het onderzoek minder dan negen maanden van het oorspronkelijke idee tot het proof-of-concept - een van de snelste projecten in mijn carrière tot nu toe.

"Deze doorbraak zou niet mogelijk zijn geweest zonder de gezamenlijke inspanning van ITMO, MIPT en Skoltech. Dit onderstreept het potentieel van zaadprogramma's om de binnenlandse samenwerking tussen Russische onderzoeksteams te verbeteren", aldus Dmitry Krasnikov, universitair hoofddocent bij Skoltech Photonics. /P>

"Ons Clover-project is dit jaar verlengd. We zijn van plan een THz-adaptief varifocaal apparaat te vervaardigen op basis van dezelfde spiraalzoneplaten, maar uitgebreid met manipulatiemogelijkheden. We verwachten ook een patentaanvraag in te dienen voor het apparaat dat we al hebben", Burdanova heeft toegevoegd.

In 2023 lanceerden Skoltech, MIPT en ITMO University het Clover-initiatief om gezamenlijk onderzoek te ondersteunen en de samenwerking tussen de drie toonaangevende universiteiten van het land op het gebied van fotonica te bevorderen. Met zijn oriëntatie op studenten, onderzoekers en postdocs die aan hun wetenschappelijke carrière beginnen, betrekt Clover hen bij grensverleggende onderzoeksprojecten en vergemakkelijkt het de mobiliteit tussen toponderzoeksteams.

Het langetermijndoel is het initiëren van grootschalige programma's op fotonica en aanverwante gebieden in Rusland. De Clover-wedstrijd bracht toponderzoekers samen die werkzaam zijn op het gebied van biofotonica, geavanceerde fotonische materialen, topologische fotonica, optisch computergebruik en laserfysica en -technologie.