Совместная команда физиков из МФТИ, Сколтеха и ИТМО создала оптический элемент, с помощью которого можно управлять свойствами терагерцового (ТГц) пучка и разделять его на несколько каналов. Новое устройство в качестве модулятора и генератора вихревых ТГц-пучков можно использовать в медицине, 6G-технологиях и микроскопии. Работа опубликована в журнале Advanced Optical Materials.
ТГц-технологии, в которых сигнал передается на частотах порядка 1012 Гц (промежуток между микроволновым и инфракрасным диапазонами), в настоящее время стремительно развиваются и будут применяться для высокоскоростной 6G-связи, а также в медицине в качестве альтернативы рентгеновским лучам. Ученые создают оптические элементы, работающие в этом диапазоне частот, и генераторы, которые можно использовать для передачи сигналов.
Физики из МФТИ и Сколтеха совместно уже создали из углеродных нанотрубок вариофокальную зонную пластинку Френеля, которая фокусирует ТГц-излучение, при этом можно управлять ее свойствами посредством растяжения. В новой работе ученые подключили к коллаборации коллег из ИТМО, чтобы синтезировать оптический элемент, работающий в ТГц-спектре.
Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ: «Вместе со Сколтехом и ИТМО мы выиграли совместный конкурс “Клевер” для исследования в области фотоники и решили создать спиральную зонную пластинку. В ИТМО сделали расчет формы и поведения этого оптического элемента, в Сколтехе занимались синтезом наноматериалов и созданием заданной геометрии, а мы в МФТИ смогли его апробировать, то есть с экспериментальной точки зрения верифицировать, что он действительно работает, с использованием экспериментальной базы Института общей физики РАН».
Новый оптический элемент представляет собой спиральную зонную пластинку из тонкой пленки углеродных нанотрубок, которая закручивает волновой фронт пучка проходящего через нее ТГц-излучения. В эксперименте ученые ставили две пластинки подряд, а затем вращали их друг относительно друга. Это приводило к изменению распределения интенсивности прошедшего пучка: он разделялся на области (моды), в одних интенсивность излучения была больше, в других — меньше. Каждая такая мода с определенной интенсивностью может затем выступать в роли канала для передачи информации.
Процесс изготовления спиральной зонной пластинки. Источник: Advanced Optical Materials
Для экспериментальной проверки свойств пластинок физики использовали метод ТГц-визуализации. Мощный источник излучения светил на пластинку, при помощи системы растрового 2D-сканирования на основе ячейки Голея (приемника электромагнитного излучения) и субволновой диафрагмы детектировалось распределение интенсивности электромагнитного поля. По этой картине ученые определяли, что пластинка создает закрученный пучок и то, как распределяется интенсивность.
Полученный модулятор можно применять в областях, где нужны фокусировка и изменение положения пучка, например в ТГц-микроскопии, а также биомедицине.
«Переход в ТГц-область осложнен отсутствием единой приборной базы и стандартов для устройств, что само по себе создает продуктивную среду для научной конкуренции и создания интересных, оригинальных решений. Одной из ключевых особенностей, подчеркивающих перспективность углеродных нанотрубок, является возможность создания многофункциональных изделий с возможностью тонкой подстройки характеристик с помощью разных эффектов путем настройки отклика на атомарном, супрамолекулярном и микронном уровнях. Нашей трехсторонней команде впервые удалось добавить новый эффект — взаимодействие разных “узоров из нанотрубок” между собой, что открывает новые возможности для перспективных изделий. Самое интересное: от принципиальной идеи до научной статьи, доказывающей концепт, прошло менее девяти месяцев — это один из самых быстро растущих научных проектов в моей карьере! Безусловно подобный прорыв был бы невозможен без трехстороннего взаимодействия команд из ИТМО, МФТИ и Сколтеха, что только подчеркивает важность и перспективность посевных программ, стимулирующих внутреннее сотрудничество между научными командами внутри нашей Родины», — поделился Дмитрий Красников, доцент Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
Мария Бурданова добавила : «Проект “Клевер” у нас продолжен на этот год. Мы планируем изготовить адаптивное вариофокальное устройство терагерцового диапазона на основе таких же спиральных зонных пластин, но с возможностью манипуляций. А относительно использования текущего устройства мы хотим подать патент».
Пример пространственного распределения интенсивностей и фаз прошедшего пучка в области фокуса модулятора. Источник: Advanced Optical Materials
В 2023 году МФТИ, Университет ИТМО и Сколтех запустили программу «Клевер»: Cовместные научно-исследовательские проекты МФТИ, ИТМО и Сколтеха в области фотоники. Программа «Клевер» нацелена на развитие кооперации между тремя сильнейшими университетами в области фотоники. Задача программы — оказать поддержку ученым (от студентов до постдоков) в начале их научной карьеры, привлекая их к участию во фронтирных научно-исследовательских проектах и поощряя мобильность между высококлассными научными группами. Долгосрочная цель — создание в России крупномасштабных программ в области фотоники и смежных научных областях. Конкурс собрал сильнейших исследователей, работающих в области биофотоники, перспективных фотонных материалов, топологической фотоники, оптических компьютеров, а также лазерной физики и технологий.
