Ученые из Принстонского университета добились радикального уменьшения аппаратуры для работы с электромагнитным излучением терагерцового диапазона, время колебания волны в котором равно примерно одной миллионной от одной миллионной доли секунды. Подобные устройства могут стать важным элементом медицинской диагностики, коммуникаций и разработки лекарств. Две работы ученых на эту тему опубликованы в журнале IEEE Journal of Solid State Circuits.

Терагерцовый диапазон излучения находится между микроволновым и инфракрасным. Волны таких длин обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает их интересными с точки зрения науки и техники. Например, они проникают сквозь большинство непроводящих материалов, поэтому их можно использовать для просвечивания одежды и предметов с целью обеспечения безопасности. При этом они не повреждают ткани человека и не наносят вред ДНК в отличие от рентгеновского излучения, так как обладают гораздо меньшей энергией.

«Наша система реализована на основе той же технологии кремниевых микросхем, что и в современных электронных устройствах, таких как смартфоны, что делает крупномасштабное производство достаточно дешевым», — говорит ведущий автор исследования Каушик Сенгупта. Он добавляет, что приспособить систему для спектроскопического анализа и определения веществ будет непросто, но это и является самым многообещающим применением.

Существовавшее до недавнего времени оборудование для работы с терагерцовым излучением было очень громоздким. В первой из двух обсуждаемых работ, вышедшей в сентябре 2016, группа профессора Сенгупты сообщила о способе уменьшения размера принимающей аппаратуры до миллиметров. Решение заключалось в переосмыслении работы антенн. Когда электромагнитная волна (в том числе терагерцовая) взаимодействует с металлической антенной, то порождается сложное распределение электромагнитного поля, уникальное для каждого сигнала. Обычно эти тонкие детали процесса игнорируются, но теперь ученые поняли, что эти распределения полей можно считывать и использовать для определения падающей волны.

«Вместо прямого считывания волн мы интерпретируем узоры создаваемого ими поля, — поясняет Сенгупта. — Это похоже на восстановление характеристик дождя по наблюдениям ряби от капель на поверхности пруда».

Во второй статье ученые объяснили, как им удалось создать миниатюрную микросхему для генерации терагерцовых волн. Она пока работает в узком диапазоне, однако исследователи поняли, что это препятствие можно преодолеть, создавая сразу несколько волн различных длин на одной микросхеме и комбинируя их, используя точную синхронизацию. Дэниэл Миттлман, вице-председатель Международного общества инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн, сказал, что работа «очень инновационна и потенциально имеет множество применений», а также отметил, что еще предстоит много работы до внедрения этих разработок в повседневные устройства, они являются перспективными.