Pesquisadores desenvolveram um chip extremamente fino com um circuito fotônico integrado que pode ser usado para explorar a chamada lacuna de terahertz – entre 0,3 e 30 THz no espectro eletromagnético – para espectroscopia e geração de imagens.
Essa lacuna é atualmente uma espécie de zona morta tecnológica, descrevendo frequências que são muito rápidas para os dispositivos eletrônicos e de telecomunicações atuais, mas muito lentas para aplicações ópticas e de imagem.
No entanto, o novo chip dos cientistas agora permite que eles produzam ondas terahertz com frequência, comprimento de onda, amplitude e fase personalizados. Esse controle preciso pode permitir que a radiação terahertz seja aproveitada para aplicações de próxima geração, tanto no campo eletrônico quanto no óptico.
O trabalho, realizado entre a EPFL, a ETH Zurique e a Universidade de Harvard, foi publicado emComunicações da Natureza.
Cristina Benea-Chelmus, que liderou a pesquisa no Laboratório de Fotônica Híbrida (HYLAB) da Escola de Engenharia da EPFL, explicou que, embora ondas de terahertz já tenham sido produzidas em laboratório, abordagens anteriores dependiam principalmente de cristais em massa para gerar as frequências corretas. Em vez disso, o uso em seu laboratório do circuito fotônico, feito de niobato de lítio e finamente gravado em escala nanométrica por colaboradores da Universidade Harvard, resulta em uma abordagem muito mais simplificada. O uso de um substrato de silício também torna o dispositivo adequado para integração em sistemas eletrônicos e ópticos.
“Gerar ondas em frequências muito altas é extremamente desafiador, e existem pouquíssimas técnicas que conseguem gerá-las com padrões únicos”, explicou ela. “Agora somos capazes de projetar a forma temporal exata das ondas de terahertz – para dizer essencialmente: 'Quero uma forma de onda que se pareça com esta.'”
Para conseguir isso, o laboratório de Benea-Chelmus projetou o arranjo de canais do chip, chamados guias de onda, de tal forma que antenas microscópicas pudessem ser usadas para transmitir ondas de terahertz geradas pela luz de fibras ópticas.
“O fato de nosso dispositivo já utilizar um sinal óptico padrão é realmente uma vantagem, pois significa que esses novos chips podem ser usados com lasers tradicionais, que funcionam muito bem e são muito bem compreendidos. Isso significa que nosso dispositivo é compatível com telecomunicações”, enfatizou Benea-Chelmus. Ela acrescentou que dispositivos miniaturizados que enviam e recebem sinais na faixa de terahertz podem desempenhar um papel fundamental nos sistemas móveis de sexta geração (6G).
No mundo da óptica, Benea-Chelmus vê um potencial particular para chips miniaturizados de niobato de lítio em espectroscopia e geração de imagens. Além de não serem ionizantes, as ondas terahertz têm energia muito menor do que muitos outros tipos de ondas (como raios X) atualmente usadas para fornecer informações sobre a composição de um material – seja um osso ou uma pintura a óleo. Um dispositivo compacto e não destrutivo como o chip de niobato de lítio poderia, portanto, oferecer uma alternativa menos invasiva às técnicas espectrográficas atuais.
"Você poderia imaginar enviar radiação terahertz através de um material de seu interesse e analisá-la para medir a resposta do material, dependendo de sua estrutura molecular. Tudo isso a partir de um dispositivo menor que uma cabeça de fósforo", disse ela.
Em seguida, Benea-Chelmus planeja se concentrar em aprimorar as propriedades dos guias de onda e antenas do chip para projetar formas de onda com amplitudes maiores e frequências e taxas de decaimento mais precisas. Ela também vê potencial para a tecnologia de terahertz desenvolvida em seu laboratório ser útil para aplicações quânticas.
Há muitas questões fundamentais a serem abordadas; por exemplo, estamos interessados em saber se podemos usar esses chips para gerar novos tipos de radiação quântica que possam ser manipulados em escalas de tempo extremamente curtas. Essas ondas na ciência quântica podem ser usadas para controlar objetos quânticos", concluiu.
Data de publicação: 14 de fevereiro de 2023
