Gli impulsi elettromagnetici della durata di un milionesimo di milionesimo di secondo possono essere la chiave per i progressi nell'imaging medico, comunicazione e sviluppo dei farmaci. Ma gli impulsi, chiamate onde terahertz, hanno richiesto a lungo attrezzature elaborate e costose da utilizzare.

Ora, i ricercatori della Princeton University hanno drasticamente ridotto gran parte di quell'attrezzatura:passando da una configurazione da tavolo con laser e specchi a un paio di microchip abbastanza piccoli da stare sulla punta di un dito.

In due articoli recentemente pubblicati su IEEE Journal of Solid State Circuits , i ricercatori descrivono un microchip in grado di generare onde terahertz, e un secondo chip in grado di catturare e leggere i dettagli intricati di queste onde.

"Il sistema è realizzato con la stessa tecnologia dei chip di silicio che alimenta tutti i moderni dispositivi elettronici dagli smartphone ai tablet, e quindi costa solo pochi dollari per fare su larga scala", ha detto il ricercatore capo Kaushik Sengupta, un assistente professore di ingegneria elettrica di Princeton.

Le onde terahertz fanno parte dello spettro elettromagnetico, l'ampia classe di onde che include radio, Raggi X e luce visibile e siedono tra il microonde e le bande d'onda della luce infrarossa. Le onde hanno alcune caratteristiche uniche che le rendono interessanti per la scienza. Per uno, passano attraverso la maggior parte dei materiali non conduttori, in modo che possano essere usati per sbirciare attraverso vestiti o scatole per motivi di sicurezza, e poiché hanno meno energia dei raggi X, non danneggiano il tessuto umano o il DNA.

Le onde terahertz interagiscono anche in modi distinti con diverse sostanze chimiche, quindi possono essere utilizzati per caratterizzare sostanze specifiche. Conosciuto come spettroscopia, la capacità di utilizzare le onde luminose per analizzare il materiale è una delle applicazioni più promettenti e più impegnative della tecnologia terahertz, disse Sengupta.

Per farlo, gli scienziati irradiano un'ampia gamma di onde terahertz su un bersaglio, quindi osservano come cambiano le onde dopo aver interagito con esso. L'occhio umano esegue un tipo simile di spettroscopia con la luce visibile:vediamo una foglia come verde perché la luce nella frequenza della luce verde rimbalza sulla foglia carica di clorofilla.

La sfida consisteva nel fatto che la generazione di un'ampia gamma di onde terahertz e l'interpretazione della loro interazione con un bersaglio richiedono una serie complessa di apparecchiature come ingombranti generatori di terahertz o laser ultraveloci. Le dimensioni e il costo dell'attrezzatura rendono la tecnologia poco pratica per la maggior parte delle applicazioni.

I ricercatori lavorano da anni per semplificare questi sistemi. Nel mese di settembre, Il team di Sengupta ha segnalato un modo per ridurre le dimensioni del generatore di terahertz e dell'apparato che interpreta le onde di ritorno in un chip di dimensioni millimetriche. La soluzione sta nel re-imaging come funziona un'antenna. Quando le onde terahertz interagiscono con una struttura metallica all'interno del chip, creano una complessa distribuzione di campi elettromagnetici che sono unici per il segnale incidente. Tipicamente, questi campi sottili vengono ignorati, ma i ricercatori si sono resi conto che potevano leggere i modelli come una sorta di firma per identificare le onde. L'intero processo può essere realizzato con minuscoli dispositivi all'interno del microchip che leggono onde terahertz.

"Invece di leggere direttamente le onde, stiamo interpretando i modelli creati dalle onde, " Ha detto Sengupta. "È un po' come cercare uno schema di gocce di pioggia dalle increspature che fanno in uno stagno".

Daniel Mittleman, professore di ingegneria alla Brown University, ha affermato che lo sviluppo è stato "un lavoro molto innovativo, e potenzialmente ha molto impatto." Mittleman, chi è il vicepresidente della International Society for Infrared Millimeter and Terahertz Waves, ha detto che gli scienziati hanno ancora del lavoro da fare prima che la banda terahertz possa iniziare a essere utilizzata nei dispositivi di tutti i giorni, ma gli sviluppi sono promettenti.

"È un puzzle molto grande con molti pezzi, e questo è solo uno, ma è molto importante, " disse Mittleman, che ha familiarità con il lavoro ma non ha avuto alcun ruolo in esso.

Alla fine della generazione di terahertz, gran parte della sfida è creare un'ampia gamma di lunghezze d'onda all'interno della banda terahertz, soprattutto in un microchip. I ricercatori si sono resi conto che potevano superare il problema generando più lunghezze d'onda sul chip. Hanno quindi utilizzato un tempismo preciso per combinare queste lunghezze d'onda e creare impulsi terahertz molto nitidi.

In un articolo pubblicato il 14 dicembre su IEEE Journal of Solid State Circuits , i ricercatori hanno spiegato come hanno creato un chip per generare le onde terahertz. Il prossimo passo, i ricercatori hanno detto, è estendere il lavoro più lontano lungo la banda dei terahertz. "In questo momento stiamo lavorando con la parte inferiore della banda terahertz, " disse Xue Wu, uno studente di dottorato di Princeton in ingegneria elettrica e un autore su entrambi i documenti.

"Cosa puoi fare con un miliardo di transistor che funzionano a frequenze terahertz?" chiese Sengupta. "Solo ripensando a queste complesse interazioni elettromagnetiche partendo da principi fondamentali possiamo inventare una nuova tecnologia rivoluzionaria".