Fremtidens bølge:Terahertz chipper en ny måde at gennemskue stof

Elektromagnetiske pulser, der varer en milliontedel af en milliontedel af et sekund, kan indeholde nøglen til fremskridt inden for medicinsk billeddannelse, kommunikation og udvikling af lægemidler. Men pulsen, kaldet terahertz -bølger, har længe krævet omfattende og dyrt udstyr at bruge.

Nu, forskere ved Princeton University har drastisk krympet meget af det udstyr:at flytte fra en bordplade med lasere og spejle til et par mikrochips, der er små nok til at passe på en fingerspids.

I to artikler, der for nylig blev offentliggjort i IEEE Journal of Solid State Circuits , forskerne beskriver en mikrochip, der kan generere terahertz -bølger, og en anden chip, der kan fange og læse indviklede detaljer om disse bølger.

"Systemet er realiseret i den samme siliciumchip -teknologi, der driver alle moderne elektroniske enheder fra smartphones til tablets, og koster derfor kun et par dollars at lave i stor skala, "siger forsker Kaushik Sengupta, en Princeton -assisterende professor i elektroteknik.

Terahertz -bølger er en del af det elektromagnetiske spektrum - den brede klasse af bølger, der omfatter radio, Røntgenstråler og synligt lys-og sid mellem mikrobølgeovnen og det infrarøde lysbølgebånd. Bølgerne har nogle unikke egenskaber, der gør dem interessante for videnskaben. For en, de passerer gennem det meste ikke-ledende materiale, så de kunne bruges til at kigge gennem tøj eller kasser af sikkerhedsmæssige årsager, og fordi de har mindre energi end røntgenstråler, de skader ikke menneskeligt væv eller DNA.

Terahertz -bølger interagerer også på forskellige måder med forskellige kemikalier, så de kan bruges til at karakterisere specifikke stoffer. Kendt som spektroskopi, evnen til at bruge lysbølger til at analysere materiale er en af ​​de mest lovende - og de mest udfordrende - anvendelser af terahertz -teknologi, Sagde Sengupta.

At gøre det, forskere skinner en bred vifte af terahertz -bølger på et mål og observerer derefter, hvordan bølgerne ændrer sig efter interaktion med det. Det menneskelige øje udfører en lignende type spektroskopi med synligt lys-vi ser et blad som grønt, fordi lys i den grønne lysfrekvens hopper ud af det klorofylfyldte blad.

Udfordringen har været, at generering af en bred vifte af terahertz -bølger og fortolkning af deres interaktion med et mål kræver et komplekst udvalg af udstyr, såsom omfangsrige terahertz -generatorer eller ultrahurtige lasere. Udstyrets størrelse og omkostninger gør teknologien upraktisk til de fleste applikationer.

Forskere har arbejdet i årevis på at forenkle disse systemer. I september, Senguptas team rapporterede en måde at reducere størrelsen på terahertz-generatoren og det apparat, der fortolker de tilbagevendende bølger til en millimeterstor chip. Løsningen ligger i at genbillede, hvordan en antenne fungerer. Når terahertz -bølger interagerer med en metalkonstruktion inde i chippen, de skaber en kompleks fordeling af elektromagnetiske felter, der er unikke for hændelsessignalet. Typisk, disse subtile felter ignoreres, men forskerne indså, at de kunne læse mønstrene som en slags signatur for at identificere bølgerne. Hele processen kan udføres med små enheder inde i mikrochippen, der læser terahertz -bølger.

"I stedet for direkte at læse bølgerne, vi fortolker mønstrene skabt af bølgerne, "Sengupta sagde." Det er lidt som at lede efter et mønster af regndråber ved de krusninger, de laver i en dam. "

Daniel Mittleman, professor i teknik ved Brown University, sagde, at udviklingen var "et meget innovativt stykke arbejde, og det har potentielt stor indflydelse. "Mittleman, hvem er næstformand for International Society for Infrared Millimeter and Terahertz Waves, sagde, at forskere stadig har arbejde at gøre, før terahertz -båndet kan begynde at blive brugt i dagligdags enheder, men udviklingen er lovende.

"Det er et meget stort puslespil med mange brikker, og dette er bare en, men det er meget vigtigt, "sagde Mittleman, der kender værket, men ikke havde nogen rolle i det.

På terahertz-generationens ende, meget af udfordringen er at skabe en bred vifte af bølgelængder inden for terahertz -båndet, især i en mikrochip. Forskerne indså, at de kunne overvinde problemet ved at generere flere bølgelængder på chippen. De brugte derefter præcis timing til at kombinere disse bølgelængder og skabe meget skarpe terahertz -pulser.

I en artikel offentliggjort 14. december i IEEE Journal of Solid State Circuits , forskerne forklarede, hvordan de skabte en chip til at generere terahertz -bølgerne. Det næste trin, sagde forskerne, er at forlænge arbejdet længere hen ad terahertz -båndet. "Lige nu arbejder vi med den nederste del af terahertz -bandet, "sagde Xue Wu, en Princeton -doktorand i elektroteknik og en forfatter på begge papirer.

"Hvad kan du gøre med en milliard transistorer, der opererer ved terahertz -frekvenser?" Spurgte Sengupta. "Kun ved at genskabe disse komplekse elektromagnetiske interaktioner ud fra grundlæggende principper kan vi opfinde spilskiftende ny teknologi."