Физики готовят базу для возможного перехода на терагерцевый диапазон в области телекоммуникаций
Сотрудники Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН разработали и создали плазмонный интерферометр терагерцевого диапазона – прибор, который с высокой точностью способен определять оптические свойства материалов. Интерферометр успешно протестирован на Новосибирском лазере на свободных электронах, входящем в инфраструктуру ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения». Результаты опубликованы в журналах Instruments and Experimental Technichs и Applied Sciences.
Современные устройства передачи и обработки сигналов, например, 4G, работают на сверхвысоких частотах (СВЧ). Средний объем передачи и скорость обработки данных в этом микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0.5 до 100 Гбит в секунду. Чтобы увеличить этот параметр специалисты осваивают терагерцевый (ТГц) диапазон. Разрабатываемые в настоящее время телекоммуникационные устройства ТГц диапазона, в том числе системы беспроводной связи, такие как 6G, смогут увеличить это значение до 1 Тбит/с.
Разработанный физиками плазмонный интерферометр уникален – для изучения оптических свойств металлов и полупроводников, на основе которых создаются интегральные компоненты для систем беспроводной связи, используются не классические электромагнитные волны, а поверхностные плазмон-поляритоны. Эта разновидность не излучаемой в пространство электромагнитной волны распространяется по поверхности материала вместе с волной свободных зарядов, которая способна более точно характеризовать поверхностные свойства изучаемых образцов на глубине скин-слоя.
По словам исследователей, телекоммуникации – только одна из областей применения терагерцевых волн. ТГц диапазон привлекателен для биологии и медицины. Так, за рубежом активно развивается диагностика офтальмологических и онкологических заболеваний кожи при помощи ТГц волн. Прозрачность большинства пластиков, бумаги и тканей для ТГц излучения позволяет использовать его для обнаружения скрытых предметов, что актуально для систем безопасности. Терагерцевые телескопы используются для изучения реликтового космического излучения, что позволяет получать больше информации о ранних этапах жизни Вселенной. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет диагностировать и исследовать различные новые материалы, в том числе наноразмерных масштабов.
Актуальные исследования физиков ИЯФ СО РАН нацелены на изучение материалов, из которых возможно создавать так называемые планарные интегральные пассивные и активные плазмонные схемы, в которых сигнал передается в виде поверхностных электромагнитных волн – плазмон-поляритонов. При проектировании таких схем необходимо знать оптические свойства металл-диэлектрических и полупроводниковых поверхностей, на которых они создаются. Для этой задачи специалисты разработали и создали плазмонный интерферометр Майкельсона, работающий в ТГц диапазоне.
Плазмон – это фактически колебания ансамбля электронов, а поляритон – это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон – это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов (электронов или ионов), который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль нее.
Многие стандартные материалы: металлы, полупроводники хорошо исследованы (даже в терагерцевом диапазоне), но только сделано это с помощью классических спектроскопических методов с использованием объемного излучения, взаимодействующего с исследуемой средой. Получаемые данными методами результаты несут информацию в основном об объемных свойствах материала, а не о поверхностных, которые важны для плазмоники. Экспериментально изучить оптические свойства материала при помощи поверхностной волны и получить более точную информацию о характеристиках образца довольно сложно. Во-первых, нужен достаточно мощный, стабильный и перестраиваемый по частоте источник ТГц излучения, а, во-вторых, необходимо решить многие экспериментальные проблемы.
Ученым ИЯФ СО РАН совместно с группой из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (Москва), которые в самом начале явились инициаторами данных исследований, удалось справиться со многими задачами благодаря целенаправленной систематической работе и полученному экспериментальному опыту, а также наличию в инфраструктуре ИЯФ Новосибирского лазера на свободных электронах.
В результате фундаментальных работ по исследованию свойств поверхностных плазмон-поляритонов российским ученым удалось разработать уникальное оборудование – плазмонный интерферометр Майкельсона ТГц диапазона частот.
В основе данного устройства лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. На нем американский физик Альберт Майкельсон впервые наиболее точно измерил длину волны света в 1887 г. В отличие от классической схемы физики ИЯФ СО РАН использовали вместо электромагнитных волн поверхностный плазмон-поляритон, который и является носителем информации. На данный момент разработанный и апробированный на ТГц излучении Новосибирского лазера на свободных электронах плазмонный интерферометр продемонстрировал возможность решения поставленных задач, а именно – изучения оптических свойств поверхности материалов и тонких пленок.
Апробация проходила на металлических пленках, которые напыляются на подложку методом магнетронного распыления в ИЯФ СО РАН. Между тем такие пленки используются, в частности, при изготовлении рентгеновских зеркал для ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ).
В настоящее время проводится измерение оптических констант нового композитного материала на основе графеновых наночастиц, нанесенного в виде пленок толщиной 1-400 нм методом 2D-печати (производства Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН). В целом разработанный отечественными специалистами интерферометр может использоваться для исследований тонкопленочных материалов для любой области применения терагерцевых частот.
Фото: ИЯФ СО РАН