Дата публикации: 10.07.2024
То чувство, когда
наконец-то дотянулся
до лакомого кусочка.
Структурированный свет, особенно в терагерцевом диапазоне частот, сулит нам воодушевляющие возможности в довольно широком спектре применений. Например, он может оказаться незаменимым для широкополосной высокоскоростной связи, чем ускорит беспроводные мобильные сети ‒ вроде будущего поколения 6G. Это самое заметное применение, но не самое важное. Терагерцовый диапазон частот особенно интересен из-за его неионизирующей природы, превосходной проникающей способности и уникальной способности передавать отпечатки конденсированных сред и биомолекул. Такой структурированный свет пригодится во многих областях ‒ от медицины до спектральных исследований материалов, от астрофизики до чрезвычайно точной измерительной техники для изучения микромира.
Столь внушительные перспективы вызваны тем, что, при всех возможностях этой ниши, мы никак не можем её приручить ‒ наша радиотехника не способна корректно работать с сигналами в терагерцовом диапазоне, да и оптические решения в этом свете оставляют желать лучшего. Хотя мы вполне неплохо освоились с нижней его частью (СВЧ), но используем только её термические свойства ‒ для разогрева пищи в микроволновках; а вот обработку сигналов мы осилили лишь к концу диапазона, на стыке с инфракрасным излучением. Остальной же диапазон остаётся пока, пусть и перспективной, но всё ещё дикой территорией. А всё оттого, что на сегодня и генерация такого излучения и, что не менее важно, управление им остаются серьёзными проблемами.
Практическое освоение этих частот осложняется многими факторами, первым из которых стоит указать интенсивность затухания сигнала ‒ чем выше частота волны, тем быстрее уменьшается её амплитуда. Мы можем это заметить и на собственном опыте: чем дальше от нас источник звука, тем меньше высоких частот мы слышим, а ведь это всего лишь какие-то килогерцы ‒ от 5-6 до 16-20 тысяч колебаний в секунду. В терагерцовом же диапазоне возмущения в миллиард раз быстрее, здесь уже речь идёт о триллионах герц ‒ 1012. Одним из способов справиться с этим является изготовление мощнейших источников и приёмников, работающих в этом диапазоне.
В настоящее время в этой сфере задействовано немало исследовательских ресурсов, технология бурно развивается. Так, прошлой осенью междисциплинарная группа китайских учёных разработала новаторский подход к генерации терагерцового излучения посредством токов высокой плотности. Эти токи активируются светом, а сам метод не требует электронных пучков и магнитных полей, отказ от использования которых удивляет, поскольку это были неотъемлемые составляющие существующей технологии генерации и управления излучением.
И вот совсем недавно другие учёные из Китая разработали ещё один метод генерации структурированных световых пучков терагерцового диапазона. На этот раз ‒ с использованием программируемых спинтронных излучателей, что, по заявлениям авторов, открывает совсем другие перспективы, впервые открывая перед нами возможности генерировать свет со спиновым и орбитальным угловым моментом и манипулировать им.
Это новое исследование, опубликованное в eLight под руководством профессоров Университета Фудань Чжэншенг Тао и Ичжэн Ву, а также профессора Янь Чжан из Столичного педагогического университета, возвращает нас к использованию магнетизма, но всё-таки позволяет преодолеть набившие оскомину основные ограничения технологии. Созданные программируемые спинтронные излучатели обладают рядом магнитных мультислоев с обменным смещением, перемежающихся с немагнитными материалами. За счёт чего инженеры научились спин-поляризованные токи, производимые лазером, преобразовывать в искомое терагерцевое излучение.
«Ключевое новшество заключается в нашей способности гибко программировать диаграмму намагниченности внутри излучателя с высокой точностью и высоким пространственным разрешением, ‒ объясняет аспирант Шунцзя Ван, первый автор исследования. ‒ Это позволяет нам проектировать и генерировать терагерцовые пучки со сложными состояниями поляризации, включая пучки с пространственно разделёнными круговыми поляризациями, состояниями азимутальной или радиальной поляризации и даже полный пучок Пуанкаре».
(а) Запрограммированный терагерцовый излучатель для пространственно разделённого терагерцового излучения с левой и правой круговой поляризацией. (б) Запрограммированный терагерцовый излучатель для азимутальной поляризации. (c) Запрограммированный терагерцовый излучатель для полного пучка Пуанкаре. Источник.
Являясь представителем широкого класса векторных лазерных пучков, пучок Пуанкаре демонстрирует все возможные состояния поляризации света в пределах своего поперечного сечения. Это наделяет его уникальными свойствами. Например, точками фазовых сингулярностей, когда в электромагнитной волне энергия движется по кругу, и фронт распространяющейся волны также имеет вид спирали. Это позволяет говорить о применимости нового метода в создании особых оптических сил, достижении плоских профилей интенсивности и высокоточных однократных поляриметрических измерениях.
«Наши результаты открывают путь для разработки новых терагерцовых устройств с расширенными функциональными возможностями, ‒ заключает профессор Чжэншенг Тао.
По его словам, возможность управлять терагерцовым излучением с такой точностью открывает так долго маячившие перед нами перспективы. Это невероятные возможности для спектроскопии, зондирующих радиолокационных и телекоммуникационных систем.
Несмотря на то, что итоги опытов демонстрируют стабильную эффективность программируемых излучателей в вопросе генерации различных структурированных терагерцовых лучей, авторы уже занимаются доработками своей технологии для практического её внедрения в производственные, исследовательские и иные процессы. Всё-так большие перспективы ‒ это в том числе и большое разнообразие нюансов и непредвиденных особенностей. Сканеры для систем безопасности; ТГц-визуализация внутренних органов, которая несколько точнее и намного безопаснее рентгеновских лучей; наконец, электроника и, как частный случай, вычислительные системы, ‒ каждая область потенциального применения новой технологии обладает своей спецификой. Однако теперь всё это и многое другое ‒ вопрос уже не столь далёкого будущего, а сам новый метод эффективной генерации и управления терагерцовым излучением может стать примером или исходником для следующих открытий.
АРМК, по материалам Phys.org.