Российские ученые создали терагерцовый оптический элемент из углеродных нанотрубок
Новая разработка российских физиков — оптический элемент для управления свойствами терагерцового пучка и разделения его на несколько каналов — может использоваться как модулятор и генератор вихревых ТГц-пучков в медицине, технологиях связи шестого поколения (6G) и микроскопии. В проекте участвовали ученые трех вузов — МФТИ, ИТМО и Сколтеха. Об этом сообщила пресс-служба Сколковского института науки и технологий.
В терагерцовых технологиях сигнал передаётся на частотах порядка 1 трлн герц (это промежуток между микроволновым и инфракрасным диапазонами). Сегодня в этом направлении идет активный период научных разработок. В передовых научных центрах учёные создают оптические элементы, работающие в этом диапазоне, и генераторы, которые можно использовать для передачи сигналов.
Российские исследователи из МФТИ и Сколтеха совместно уже создали из углеродных нанотрубок вариофокальную зонную пластинку Френеля, которая фокусирует ТГц-излучение, при этом можно управлять её свойствами посредством растяжения. В следующей работе учёные подключили к коллаборации коллег из ИТМО, чтобы синтезировать оптический элемент, работающий в ТГц-спектре.
Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ: «Вместе со Сколтехом и ИТМО мы выиграли совместный конкурс „Клевер“ для исследования в области фотоники и решили создать спиральную зонную пластинку. В ИТМО сделали расчёт формы и поведения этого оптического элемента, в Сколтехе занимались синтезом наноматериалов и созданием элемента заданной геометрии, а мы в МФТИ смогли его апробировать, то есть с экспериментальной точки зрения верифицировать, что он действительно работает, с использованием экспериментальной базы Института общей физики РАН».
Новый оптический элемент представляет собой спиральную зонную пластинку из тонкой плёнки углеродных нанотрубок, которая закручивает волновой фронт пучка проходящего через неё ТГц-излучения. В эксперименте учёные ставили две пластинки подряд, а затем вращали их друг относительно друга. Это приводило к изменению распределения интенсивности прошедшего пучка: он разделялся на области (моды), в одних интенсивность излучения была больше, в других — меньше. Каждая такая мода с определённой интенсивностью может затем выступать в роли канала для передачи информации.
Для экспериментальной проверки свойств пластинок физики использовали метод ТГц-визуализации. Мощный источник излучения светил на пластинку, при помощи системы растрового 2D-сканирования на основе ячейки Голея (приёмника электромагнитного излучения) и субволновой диафрагмы детектировалось распределение интенсивности электромагнитного поля. По этой картине учёные определяли, что пластинка создаёт закрученный пучок, и то, как распределяется интенсивность.
Полученный модулятор можно применять в областях, где нужны фокусировка и изменение положения пучка, например в ТГц-микроскопии, а также биомедицине.
«Переход в ТГц-область осложнён отсутствием единой приборной базы и стандартов для устройств, что само по себе создаёт продуктивную среду для научной конкуренции и создания интересных, оригинальных решений. Одной из ключевых особенностей, подчёркивающих перспективность углеродных нанотрубок, является возможность создания многофункциональных изделий с возможностью тонкой подстройки характеристик с помощью разных эффектов путём настройки отклика на атомарном, супрамолекулярном и микронном уровнях. Нашей трёхсторонней команде впервые удалось добавить новый эффект — взаимодействие разных “узоров из нанотрубок” между собой, что открывает новые возможности для перспективных изделий. Самое интересное: от принципиальной идеи до научной статьи, доказывающей концепт, прошло менее девяти месяцев — это один из самых быстро растущих научных проектов в моей карьере! Безусловно подобный прорыв был бы невозможен без трёхстороннего взаимодействия команд из ИТМО, МФТИ и Сколтеха, что только подчёркивает важность и перспективность посевных программ, стимулирующих внутреннее сотрудничество между научными командами внутри нашей Родины», — прокомментировал Дмитрий Красников, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
Проект „Клевер“ продлен на 2024 год. Российские ученые планируют изготовить адаптивное вариофокальное устройство терагерцового диапазона на основе таких же спиральных зонных пластин, но с возможностью манипуляций. Также планируется запатентовать уже созданный оптический элемент.
По информации Сколтеха. На фото: Процесс изготовления спиральной зонной пластинки, Advanced Optical Materials
