Een onderzoeksteam heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die nauwkeurige spatio-temporele controle van terahertz-golven mogelijk maakt terwijl ze door ongeordende materialen gaan.

De methode, gepubliceerd in ACS Photonics , zou kunnen leiden tot vooruitgang op het gebied van medische beeldvorming, communicatie en andere toepassingen die afhankelijk zijn van breedband terahertz-pulsen. Het onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het ERC-project TIMING van de Europese Unie, en het team bestond uit leden van het Emergent Photonics Research Center in Loughborough, in samenwerking met prof. Jacopo Bertolotti van de Universiteit van Exeter.

Op het gebied van de optica heeft de traditionele visie wanordelijke systemen – zoals het kijken door matglas – lange tijd gezien als een beperking van de helderheid. Net zoals mist, een wanordelijke verdeling van waterdeeltjes, licht verstrooit en ons zicht vertroebelt, verstrooien deze materialen licht op onvoorspelbare manieren. Maar deze nieuwe studie laat zien dat we deze verstrooiing in ons voordeel kunnen benutten.

Een modernere benadering die deze objecten afschildert als ‘complexe media’ onthult een opvallend ander verhaal. De sleutel ligt in het begrijpen dat hoewel de informatie binnen deze systemen inderdaad vervormd is, deze niet onherroepelijk verloren gaat en dat dit versleutelen gebruikt kan worden om het licht zelf te manipuleren.

Terahertz-golven zijn een vorm van elektromagnetische straling met een golflengte die tussen microgolven en infrarood licht ligt. Ze vertegenwoordigen de brug tussen elektronica en fotonica, waardoor het opmerkelijk moeilijk is om ze te detecteren en te manipuleren. Toch zijn ze zeer gewild en uniek omdat terahertz-golven materialen als kleding, papier en plastic kunnen doordringen, waardoor heldere beelden worden weergegeven zonder de ioniserende schade van röntgenstraling, en ze communicatieverbindingen met uitzonderlijk hoge prestaties kunnen vervoeren.

Terahertz-golven raken echter vervormd terwijl ze zich voortplanten door complexe structuren zoals biologisch weefsel of technologische structuren. In feite is beeldvorming via complexe media een uitdaging, maar ook een kans.

In dit onderzoek gebruikten de onderzoekers een speciaal soort ultrasnelle laser, bekend om zijn extreem korte pulsen, om patronen van terahertzpulsen te creëren (met een duur van enkele picoseconden).

Terwijl deze patronen interageerden met complex verstrooiingsmateriaal, manipuleerden de onderzoekers de verlichting van de laser door een speciaal ontworpen genetisch algoritme te gebruiken dat het proces van natuurlijke evolutie nabootst om complexe problemen op te lossen.

Als gevolg hiervan kregen ze controle over de manier waarop terahertz-golven zich in de ruimte verspreiden en in de tijd na materiaal evolueren. In zekere zin hercomponeert dit controleniveau delen van de golf die door de verstrooiing zijn verstoord, in een nieuwe vorm met gewenste patronen en kleuren.

"Het is opmerkelijk dat complexe media functioneren als geavanceerde apparaten die terahertz-golven manipuleren op manieren die buiten het bereik van de techniek liggen, en toch zijn ze in feite een zeer toegankelijke, willekeurige verzameling deeltjes", zegt dr. Vittorio Cecconi, hoofdonderzoeker van het onderzoek. Hij vervolgt:"Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het exploiteren van terahertz-golven in beeld- en detectietoepassingen waarbij verstrooiing een probleem is."

Hoewel deze aanpak multidisciplinaire gevolgen heeft, wordt deze bij terahertz mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van methoden om de evolutie van het elektrische veld van terahertz in tijden te meten, op manieren die lijken op de functie van een oscilloscoop. Maar in de fotonica is dit zeer ongebruikelijk omdat het elektrische veld (de grootheid die oscilleert in elektromagnetische golven) over het algemeen niet meetbaar is voor licht, terwijl de algemeen toegankelijke grootheid via een fotodetector de intensiteit is.

Dit specifieke verschil maakt een methodologie mogelijk die bekend staat als Nonlinear Ghost Imaging-ontwerp om ruimte-tijdinformatie te verkrijgen over golven en de manier waarop ze interageren met optische materialen.

"De synergie tussen Nonlinear Ghost Imaging en complexe media heeft dit onderzoek mogelijk gemaakt en verschillende potentiële geavanceerde toepassingen ontgrendeld, zoals terahertz computing", aldus Dr. Cecconi.

Prof Peccianti, directeur van het Centrum en hoofdonderzoeker van het ERC-project TIMING, benadrukte de missie van het Centrum en zei:“Bij het Emergent Photonics Research Center is onze kernethos het onderzoeken van de kruising tussen ultrasnelle fotonica en complexiteit. Hier overstijgt licht zijn grenzen. traditionele rol van louter verlichting, evoluerend naar een krachtig hulpmiddel dat in staat is om onmiddellijk een enorme hoeveelheid informatie vast te leggen en te verwerken, waardoor de route wordt gemarkeerd van een nieuwe technologische innovatie."

Meer informatie: Vittorio Cecconi et al, Terahertz Spatiotemporele golfsynthese in willekeurige systemen, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671

Aangeboden door Loughborough University