Ученые Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ, Сколтеха, ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН и научных центров Китая и ОАЭ разработали компактную линзу для терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок. Благодаря способности динамически регулировать мощность сфокусированного луча, она расширяет перспективы для медицинской диагностики, систем безопасности и сотовой связи нового поколения 6G.
«Терагерцовый диапазон длин волн относится к наименее исследованным участкам электромагнитного спектра. В связи с этим, перед учеными стоит задача решения проблемы недостатка компонентов, необходимых, в частности, для фокусировки терагерцового излучения. В традиционных схемах, используемых для управления терагерцовым излучением, применяются статические линзы, линзы из кремния или TPX обычно имеют фиксированные параметры, такие как интенсивность и фокус. Однако наша работа была мотивирована стремлением к динамическому управлению линзой. Это открывает перспективы для создания адаптивной оптики, которая найдет применение в медицине, системах безопасности и современных средствах связи.
Вообразите медицинский прибор, который использует импульсное излучение для изучения воздействия терагерцового излучения на биологические ткани. Или систему связи 6G, которая гибко распределяет мощность между пользователями в условиях скопления людей, обеспечивая стабильный сигнал для каждого. Динамическое изменение интенсивности также является ключевым элементом модуляции терагерцового излучения, необходимой для систем телекоммуникаций. Наше изобретение – это важный шаг на пути к реализации этих технологий », — поделилась Мария Бурданова, старший научный сотрудник Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ.
Терагерцовые волны занимают уникальное положение в электромагнитном спектре. Благодаря способности легко проникать через немагнитные материалы, оставаясь при этом безопасными для биологических клеток, они представляют собой безопасную альтернативу рентгеновскому излучению. Эта технология позволяет проводить исследование внутренних структур организма без нанесения ему какого-либо вреда. Помимо этого, колоссальная пропускная способность терагерцового диапазона востребована для создания устройств сотовой связи нового поколения 6G, которые будут в десятки и сотни раз быстрее, чем существующие сети 5G.
На данный момент в мире отсутствует возможность создания удобных и малогабаритных систем управления терагерцовыми волнами, особенно динамически настраиваемых линз. Используемые для фокусировки терагерцового излучения устройства имеют статичную структуру, отличаются большим размером и не обладают гибкостью. Их характеристики фиксированы на этапе производства.
Для решения этих проблем исследователи разработали ультратонкую и гибкую линзу, использующую углеродные нанотрубки. Она основана на принципе зонной пластинки Френеля, встроенной в электрохимическую ячейку: между двумя кварцевыми пластинами расположен тонкий слой ионной жидкости и пленка из нанотрубок с рисунком, состоящим из концентрических колец. Для подключения к ней используются золотые контакты, выполняющие роль электродов. Активный слой из нанотрубок имеет толщину всего 40 нанометров, что в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса.
«Углеродные нанотрубки – не единственный материал, способный изменять свои свойства под воздействием внешних полей. Однако, если рассматривать другие потенциальные материалы, то нанотрубки, благодаря сочетанию таких факторов, как масштабируемость, технологичность и эффективность устройств, представляются наиболее подходящим и многообещающим решением. Нашей команде удалось добиться настройки материала на различных уровнях – от структуры атомарной упаковки до разработки нового и упрощенного метода формирования узоров, что открывает впечатляющие перспективы для развития науки и технологий», — подытожил старший преподаватель Сколтеха, кандидат химических наук Дмитрий Красников.
Обычные линзы формируют изображение, используя разницу фаз, что обуславливает их жесткую и фиксированную форму. В дифракционных элементах, таких как плоская зонная пластина Френеля, свет направляется посредством системы концентрических колец. Эти кольца действуют подобно фильтрам, пропуская лишь те волны, которые, взаимодействуя и усиливая друг друга, формируют четкую и сфокусированную точку.
Свойствами такой линзы можно управлять, прикладывая небольшое напряжение: при подаче от -2 до +2 вольт на контакты, ионы в жидкости начинают двигаться, формируя двойной слой, аналогичный конденсатору, и «наполняя» пленку из нанотрубок электрическими зарядами. Это приводит к изменению ее оптических характеристик, делая ее более прозрачной или непрозрачной для терагерцовых волн. Благодаря этому, можно удаленно и плавно регулировать интенсивность луча в фокусе в диапазоне от -20% до +15%.
«Опыт свидетельствует о том, что наиболее значимые достижения происходят на пересечении различных научных дисциплин. Так, совместные усилия команд из ИТМО, МФТИ и Сколтеха, обладающих разнообразными знаниями в области электрохимии, фотоники и материаловедения, позволили создать нечто удивительное и, самое главное – актуальный и, надеемся, полезный пазл», — отметил профессор РАН, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Альберт Насибулин.
Прототип устройства уже разработан, испытан в лабораторных условиях и запатентован. В настоящее время исследователи сосредоточены на повышении скорости реакции системы, проводя эксперименты с различными электролитами. В перспективе они намерены разработать многослойные структуры, состоящие из линз с несколькими фокусами, каждый из которых можно управлять отдельно.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского научного фонда (Проект №24-79-00143) и в рамках программы «Клевер», объединяющей усилия МФТИ, Физтех, Сколтеха и Университета ИТМО.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ