Сотрудничество между физиками из Сколково, МФТИ и ИТМО привело к созданию инновационного оптического элемента, способного управлять свойствами терагерцового пучка и делить его на различные каналы. Это устройство может использоваться в медицине, будущих 6G-технологиях и микроскопии. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.
Терагерцовые технологии, основанные на передаче сигналов на частотах около 1 триллиона герц (между микроволновым и инфракрасным диапазонами), находятся в стадии интенсивного развития и ожидаются для применения в высокоскоростной 6G-связи, а также в медицинских исследованиях в качестве альтернативы использованию рентгеновского излучения. Ученые активно трудятся над разработкой оптических элементов и генераторов для работы с этим диапазоном частот.
Физики из МФТИ и Сколково представили вариофокальную зонную пластинку Френеля из углеродных нанотрубок, способную фокусировать ТГц-излучение и изменять свои свойства при растяжении. В рамках нового исследования они объединили усилия с исследователями из ИТМО, чтобы создать оптический элемент, работающий в терагерцовом диапазоне.
Как отмечает один из ученых: «Совместно с коллегами из Сколково и ИТМО мы выиграли конкурс для изучения фотоники и решили разработать спиральную зонную пластинку. Исследователи из ИТМО занялись моделированием формы и свойств оптического элемента, в то время как научные сотрудники из Сколково занялись синтезом наноматериалов и созданием элемента заданной геометрии. Мы в МФТИ провели эксперименты для верификации работоспособности устройства с использованием экспериментальной базы РАН по общей физике».
Этот синергетический подход позволил достичь значительного прогресса в области оптической физики и терагерцовых технологий.
Новый оптический элемент, представленный спиральной зонной пластинкой из тонкой плёнки углеродных нанотрубок, обладает способностью закручивать волновой фронт пучка ТГц-излучения, пропуская его сквозь себя.
В ходе эксперимента учёные разместили две такие пластинки одну за другой и начали вращать их относительно друг друга. Это привело к изменениям в распределении интенсивности проходящего пучка: он стал разделяться на различные области, называемые модами, в каждой из которых интенсивность излучения оказывалась различной.
Эти моды с различными уровнями интенсивности могут быть использованы в качестве каналов для передачи информации. Для проверки свойств пластинок физики воспользовались методом ТГц-визуализации. С помощью мощного источника излучения, направленного на пластинку, и системы растрового 2D-сканирования на основе ячейки Голея, учёные смогли детектировать распределение интенсивности электромагнитного поля при помощи субволновой диафрагмы.
Анализируя эту картину, исследователи выяснили, что пластинка формирует закрученный пучок и установили характер распределения интенсивности внутри него. Полученный модулятор может быть использован в областях, где требуется фокусировка и управление положением пучка, например в ТГц-микроскопии и в медицинской диагностике.
Переход в ТГц-диапазон частот представляет собой вызов из-за отсутствия единой приборной базы и стандартов для устройств, что способствует научной конкуренции и стимулирует разработку новаторских решений. Одной из ключевых особенностей углеродных нанотрубок является возможность создания многофункциональных устройств с возможностью точной настройки характеристик за счёт различных эффектов на атомарном, супрамолекулярном и микронном уровнях.
Наша трехсторонняя команда впервые достигла нового прорыва — мы обнаружили возможность взаимодействия различных «узоров из нанотрубок» друг с другом, что открывает перед нами новые перспективы для создания инновационных изделий. Особенно удивительно, что с момента зарождения идеи до публикации научной статьи, подтверждающей этот концепт, прошло менее девяти месяцев — это один из самых быстрорастущих научных проектов за всю мою карьеру! Безусловно, подобный успех стал возможным благодаря совместной работе команд из ИТМО, МФТИ и Сколтеха, что лишний раз подчеркивает важность и перспективность инновационных программ, которые способствуют внутреннему сотрудничеству между научными коллективами в России,' — поделился доцент из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
Проект 'Клевер' продолжается и на текущий год. Нашей целью является разработка адаптивного вариофокального устройства для терагерцового диапазона на основе подобных спиральных зонных пластин с дополнительными возможностями манипуляций. Мы также планируем подать заявку на патентирование использования текущего устройства.
С 2023 года в Сколтехе, МФТИ и университете ИТМО запущена программа совместных научно-исследовательских инициатив в области фотоники 'Клевер'. Ее целью является содействие сотрудничеству между тремя лидирующими университетами в области фотоники. Основная задача программы — обеспечить поддержку молодым ученым (от студентов до аспирантов) на начальном этапе научной карьеры, привлекая их к участию в ведущих научно-исследовательских проектах и стимулируя их мобильность между ведущими научными группами. Долгосрочная цель инициативы — создание в России крупномасштабных программ в области фотоники и смежных научных областях. Конкурс собрал ведущих исследователей, работающих в области биофотоники, перспективных фотонных материалов, топологической фотоники, оптических компьютеров, а также лазерной физики и технологий.