Revoliucija terahercų diapazone: naujos medžiagos kompaktiškai šviesai!

Revoliucija terahercų diapazone: naujos medžiagos kompaktiškai šviesai!

Tarptautinis mokslinių tyrimų projektas, kuriam vadovavo Joshas Caldwellas iš Vanderbilto universiteto ir Aleksandras Paarmannas Fritz Haber institutas padarė novatorišką terahercinės technologijos pažangą. Bendradarbiaujant su Prof. Lukas M. Inž Drezdeno technikos universiteto mokslininkai pademonstravo terahercų (THz) šviesos suspaudimą iki nanoskalės matmenų.

Rezultatai, paskelbti 2025 m. rugsėjo 15 d. žurnale Nature Materials, rodo, kaip hafnio dikalkogenidai (HfX2, kur X = S arba Se) leidžia žymiai suspausti THz šviesą. Daugiau nei 50 mikrometrų bangos buvo sumažintos iki mažiau nei 250 nanometrų, todėl energijos nuostoliai buvo minimalūs. Šis suspaudimas yra panašus į vandenyno bangų uždarymą arbatos puodelyje, o tai rodo šios technologijos mastą ir efektyvumą.

Tyrimų dėmesio centre

Iššūkis integruoti THz technologiją į kompaktiškus įrenginius kyla dėl ilgo THz šviesos bangos ilgio. Nors tradicinėms medžiagoms buvo sunku efektyviai suspausti šviesą THz diapazone, naujoji hafnio dikalkogenido sluoksniuota medžiaga yra perspektyvus sprendimas. Tyrimo tikslas – ištirti šviesos ir materijos sąveiką nano ir atominiu lygmeniu, o tai turi platų poveikį netiesinei optikai.

Tyrėjų komanda naudojo optinį artimojo lauko mikroskopą, kuris buvo sukurtas bendradarbiaujant TU Dresdenui ir Helmholtz centrui Dresden-Rossendorf. Vienas iš pagrindinių ketinimų yra sukurti itin kompaktiškus THz rezonatorius ir bangolaidžius, kurie galėtų pakeisti mokslinius tyrimus su 2D medžiagomis integruojant į van der Waals heterostruktūras.

Programos ir techninė plėtra

Galimas šios technologijos pritaikymas yra daug žadantis, pradedant optoelektroninių prietaisų, tokių kaip infraraudonųjų spindulių spinduliuokliai, patobulinimai ir baigiant terahercinėmis optikos fiziniam saugumui ir aplinkos jutimui. Visų pirma, tinkamų terahercų sistemų pasirinkimas pastaraisiais metais tapo svarbesnis, nes anksčiau dažnai minimas „terahercinis tarpas“ nebeegzistuoja.

Pramonėje tokios sistemos kaip Terahertz TDS (laiko domeno spektroskopija) ir FMCW radarai (dažnio moduliuota nuolatinė banga) yra labai svarbios. Naudojant trumpų impulsų lazerius, galima tiksliai išmatuoti laiką ir atlikti spektroskopinius tyrimus. Palyginimui, FMCW radarai yra mažesni, pigesni ir siūlo didesnį matavimo greitį, nors jų gylio skiriamoji geba yra mažesnė.

Šiuo metu bandomi papildomi metodai, tokie kaip kryžminės koreliacijos spektroskopija ir optinis FMCW, ir netrukus gali būti pritaikyti pramoniniam naudojimui. Tinkamiausio metodo pasirinkimas visada vyksta konkrečios programos kontekste, o tai pabrėžia THz technologijos lankstumą. Nauji tyrimų rezultatai taip pat galėtų sudaryti sąlygas didelio našumo medžiagų atrankai ir taip paskatinti efektyvesnių THz technologijų kūrimą.