Un team congiunto di fisici di Skoltech, MIPT e ITMO ha sviluppato un componente ottico che aiuta a gestire le proprietà di un raggio terahertz e a dividerlo in diversi canali. Il nuovo dispositivo può essere utilizzato come modulatore e generatore di fasci di vortici terahertz in medicina, comunicazioni 6G e microscopia. L'articolo appare sulla rivista Advanced Optical Materials .
La tecnologia terahertz in rapida evoluzione prevede la trasmissione di segnali a circa 1 trilione di hertz, o 1 THz, tra le bande di frequenza delle microonde e degli infrarossi. Verrà utilizzato nelle comunicazioni 6G ad alta velocità, nonché in medicina, come alternativa ai raggi X. I ricercatori si stanno attualmente concentrando sulla creazione di componenti ottici adattati a queste frequenze e di generatori che possano essere utilizzati per trasmettere tali segnali.
I fisici del MIPT e Skoltech hanno sviluppato congiuntamente una piastra a zona di Fresnel varifocale basata su nanotubi di carbonio che consente di focalizzare la radiazione THz e di regolare le proprietà della piastra mediante allungamento. Nel loro recente studio, i ricercatori hanno unito le forze con ITMO per sintetizzare un componente ottico che funziona nella gamma THz.
"Insieme a Skoltech e ITMO, abbiamo vinto il concorso Clover per un progetto di ricerca congiunto sulla fotonica e abbiamo deciso di creare una piastra a zona a spirale. ITMO ha eseguito calcoli di progettazione per la forma e il comportamento della piastra, Skoltech ha sintetizzato nanomateriali e fabbricato una piastra con le caratteristiche previste geometria e il MIPT ha testato sperimentalmente la piastra utilizzando le strutture dell'Istituto di fisica generale della RAS," ha affermato Maria Burdanova, ricercatrice senior presso il Laboratorio di nanoottica e plasmonica del MIPT.
Costituita da una sottile pellicola di nanotubi di carbonio, la nuova piastra torce il fronte d'onda del fascio THz che la attraversa. Nell'esperimento, il team ha posizionato due piastre una accanto all'altra e poi le ha ruotate l'una rispetto all'altra, modificando la distribuzione dell'intensità della radiazione e suddividendo il fascio in diverse aree (modalità) di diversa intensità di radiazione, ciascuna delle quali poteva essere utilizzata come un canale per il trasferimento delle informazioni.
Il team ha testato sperimentalmente le proprietà della piastra utilizzando il metodo di imaging THz. Una potente sorgente di radiazioni è stata diretta verso la piastra e la distribuzione dell'intensità del campo elettromagnetico è stata rilevata utilizzando un'apertura sub-lunghezza d'onda e un sistema di scansione raster 2D basato su una cella di Golay. I ricercatori hanno utilizzato l'immagine risultante per assicurarsi che la piastra producesse un raggio ritorto e per controllare il modello di intensità.
Il nuovo modulatore è adatto per una varietà di applicazioni, tra cui la microscopia THz e la biomedicina, che richiedono la messa a fuoco e il riposizionamento del raggio.
"Sfruttare la banda THz è una sfida importante a causa della mancanza di strumenti e standard unificati per i dispositivi. Allo stesso tempo, apre le porte alla ricerca competitiva e alla creazione di soluzioni ingegnose. Una delle caratteristiche chiave che evidenzia le prospettive del carbonio I nanotubi offrono la possibilità di creare dispositivi multifunzionali con proprietà che possono essere perfezionate da diversi effetti attraverso risposte a livello atomico, supramolecolare e micrometrico.
"Per la prima volta, il nostro team congiunto è riuscito a introdurre un effetto aggiuntivo:l'interazione di diversi modelli di nanotubi. Ciò apre la strada a dispositivi futuri. Sorprendentemente, la ricerca ha impiegato meno di nove mesi dall'idea originale alla prova di concetto:uno dei progetti più veloci della mia carriera finora.
"Questa svolta non sarebbe stata possibile senza lo sforzo concertato di ITMO, MIPT e Skoltech. Ciò sottolinea il potenziale dei programmi seed per migliorare la collaborazione interna tra i gruppi di ricerca russi", ha commentato Dmitry Krasnikov, professore associato presso Skoltech Photonics.
"Il nostro progetto Clover è stato esteso per quest'anno. Abbiamo in programma di produrre un dispositivo varifocale adattivo THz basato sulle stesse piastre a zona a spirale, ma potenziato con capacità di manipolazione. Prevediamo inoltre di depositare una domanda di brevetto per il dispositivo che già abbiamo," ha aggiunto Burdanova.
Nel 2023, Skoltech, MIPT e l'Università ITMO hanno lanciato l'iniziativa Clover per sostenere la ricerca collaborativa e promuovere la cooperazione tra le tre principali università del paese nel campo della fotonica. Orientato verso studenti, ricercatori e dottorandi che iniziano la loro carriera scientifica, Clover li coinvolge in progetti di ricerca di frontiera e facilita la mobilità tra i migliori team di ricerca.
L’obiettivo a lungo termine è avviare programmi su larga scala nel campo della fotonica e dei campi correlati in Russia. Il concorso Clover ha riunito i migliori ricercatori che lavorano nei campi della biofotonica, dei materiali fotonici avanzati, della fotonica topologica, del calcolo ottico e della fisica e tecnologia laser.
