Naukowcy z Centrum Fotoniki i Materiałów 2D w MIPT , Skoltech, ITMO University, GPI RAS, ISSP RAS oraz ośrodków badawczych w Chinach i Zjednoczonych Emiratach Arabskich stworzyli kompaktową soczewkę do promieniowania terahercowego na bazie nanorurek węglowych .
Soczewka ta może dynamicznie zmieniać natężenie skupionej wiązki, otwierając nowe możliwości w diagnostyce medycznej, systemach bezpieczeństwa i komunikacji komórkowej 6G.
Zakres długości fal terahercowych jest jednym z najmniej zbadanych zakresów widma elektromagnetycznego. Z tego powodu środowisko naukowe boryka się z niedoborem komponentów, szczególnie do ogniskowania promieniowania terahercowego. Klasyczne schematy sterowania terahercowego wykorzystują soczewki statyczne , takie jak krzemowe lub TPX, o statycznie zdefiniowanych parametrach intensywności, ostrości itd. Główną motywacją do naszej pracy była możliwość dynamicznego sterowania soczewkami. Otwiera to drogę do optyki adaptacyjnej w medycynie, systemach bezpieczeństwa i przyszłej komunikacji.
Wyobraźmy sobie na przykład urządzenie medyczne, które pulsuje promieniowaniem, aby badać wpływ reakcji tkanek biologicznych na moc promieniowania terahercowego. Albo system komunikacyjny 6G, który dynamicznie rozdziela moc między użytkowników w tłumie, zapewniając wszystkim stabilny sygnał. Co więcej, dynamiczna regulacja intensywności stanowi podstawę modulacji promieniowania terahercowego, niezbędnej dla systemów telekomunikacyjnych. Nasz wynalazek to krok w kierunku urzeczywistnienia tych technologii – powiedziała Maria Burdanova, starszy badacz w Centrum Fotoniki i Materiałów 2D MIPT.
Fale terahercowe zajmują szczególną niszę w widmie elektromagnetycznym. Z łatwością przenikają przez materiały niemetaliczne, pozostając jednocześnie całkowicie bezpieczne dla żywych komórek. Ta właściwość czyni je bezpieczną alternatywą dla promieniowania rentgenowskiego, pozwalając nam zajrzeć do wnętrza ciała bez powodowania szkód. Co więcej, ogromna przepustowość teraherców jest niezbędna dla urządzeń komórkowych 6G, których prędkość jest dziesiątki, a nawet setki razy większa niż 5G.
Jednak wciąż brakuje elastycznych i kompaktowych systemów do sterowania falami terahercowymi, a w szczególności soczewek o dynamicznej regulacji. Istniejące urządzenia do ich ogniskowania są statyczne, nieporęczne i nieelastyczne. Ich właściwości są sztywno definiowane na etapie produkcji.
Aby pokonać te ograniczenia, naukowcy stworzyli ultracienką i przestrajalną soczewkę opartą na nanorurkach węglowych. Jej podstawą jest płytka Fresnela zintegrowana z ogniwem elektrochemicznym: cienka warstwa cieczy jonowej i film nanorurek z koncentrycznymi pierścieniami są umieszczone pomiędzy dwiema płytkami kwarcowymi. Złote styki są połączone z filmem od wewnątrz, pełniąc funkcję elektrod. Aktywna warstwa nanorurek ma grubość 40 nanometrów, czyli tysiące razy mniej niż ludzki włos.
Nanorurki węglowe nie są jedynym materiałem zdolnym do szeroko zakrojonych zmian charakterystyk za pomocą pól zewnętrznych. Jednak w porównaniu z innymi kandydatami, nanorurki oferują optymalne i obiecujące rozwiązanie pod względem skalowalności, możliwości produkcyjnych, wydajności urządzeń itd. Naszemu zespołowi udało się skonfigurować materiał na wielu poziomach – od upakowania atomów po nową, jednoetapową metodę wzorowania, co otwiera niesamowite możliwości dla naszej nauki i technologii w przyszłości – podsumował dr Dmitrij Krasnikow, starszy wykładowca w Skoltech.
Podczas gdy konwencjonalne soczewki skupiają światło poprzez różnice fazowe, co skutkuje sztywnym i stałym kształtem soczewki, element dyfrakcyjny, taki jak płaska płytka Fresnela, kieruje światło przez układ koncentrycznych pierścieni. Podobnie jak filtry, przepuszczają one tylko te fale, które po połączeniu i wzmocnieniu tworzą ostry, skupiony punkt.
Właściwości takiej soczewki można zmienić za pomocą niewielkiego napięcia: przyłożenie do styków napięcia od -2 do +2 V powoduje, że jony w cieczy zaczynają się poruszać, tworząc podwójną warstwę, jak w kondensatorze, „pompując” warstwę nanorurki ładunkami elektrycznymi. Zmienia to jej właściwości optyczne, czyniąc ją bardziej „przezroczystą” lub „nieprzezroczystą” dla fal terahercowych. W rezultacie natężenie wiązki w punkcie ogniskowym można zdalnie i płynnie regulować w zakresie od -20% do +15%.
Doświadczenie pokazuje, że najbardziej imponujące rezultaty pojawiają się na styku nauk ścisłych. W tym przypadku zespołom z ITMO, MIPT i Skoltech, o zupełnie różnych kompetencjach w elektrochemii, fotonice i materiałoznawstwie, udało się ułożyć zaskakująco piękną, a co najważniejsze, istotną i, mamy nadzieję, użyteczną układankę – skomentował Albert Nasibulin, profesor Rosyjskiej Akademii Nauk i profesor Centrum Fotoniki i Technologii Fotonicznych Skoltech.
Naukowcy stworzyli już i pomyślnie przetestowali prototyp w laboratorium oraz opatentowali wynalazek. Obecnie pracują nad zwiększeniem szybkości reakcji systemu poprzez eksperymenty z innymi rodzajami elektrolitów. W przyszłości planują stworzyć wielowarstwowe struktury soczewek z wieloma, niezależnie kontrolowanymi ogniskami.