Наноразмерное устройство генерирует мощные ТГц волны, которые могут видеть сквозь стены

Исследователи из EPFL разработали наноустройство, которое работает более чем в 10 раз быстрее, чем современные самые быстрые транзисторы, и примерно в 100 раз быстрее, чем транзисторы на ваших компьютерах.

Это новое устройство позволяет генерировать мощные терагерцевые волны. Эти волны, которые общеизвестно трудны для создания, полезны в широком спектре приложений, от визуализации и зондирования до высокоскоростной беспроводной связи. Мощная пикосекундная работа этого устройства также имеет большие перспективы для некоторых передовых методов лечения, таких как терапия рака. Новаторский компактный источник, описанный 25 марта 2020 года в журнале Nature, прокладывает путь для неисчислимых новых приложений.

Терагерцовые (ТГц) волны попадают между микроволновым и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре, колебаясь на частотах от 100 до 30 триллионов циклов в секунду. Эти волны ценятся за их отличительные свойства: они могут проникать через бумагу, одежду, дерево и стены, а также обнаруживать загрязнение воздуха. Эти источники могут произвести революцию в системах безопасности и медицинской визуализации. Более того, их способность передавать огромные объемы данных может стать ключом к более быстрой беспроводной связи.

ТГц волны представляют собой тип не ионизирующего излучения, то есть они не представляют опасности для здоровья человека. Технология уже используется в некоторых аэропортах для сканирования пассажиров и обнаружения опасных объектов и веществ.

Несмотря на большие перспективы, ТГц-волны широко не используются, потому что их создание дорого и громоздко. Но новая технология, разработанная исследователями в EPFL, может изменить все это. Команда Исследовательской лаборатории силовой и широкополосной электроники (POWERlab) под руководством профессора Элисона Матиоли создала наноустройство (1 нанометр = 1 миллионная часть миллиметра), которое может генерировать очень мощные сигналы всего за несколько пикосекунд или одну триллионную секунды, и позволяет производить мощные ТГц волны.

Технология, которая может быть установлена ​​на микросхеме или гибком носителе, однажды может быть установлена ​​на смартфонах и других портативных устройствах. Работа, впервые написанная Мохаммадом Самизаде Никоо, аспирантом POWERlab, была опубликована в журнале Nature.

Как это работает

Компактное, недорогое, полностью электрическое наноустройство мгновенно генерирует волны высокой интенсивности из крошечного источника. Оно работает, создавая мощную искру, со скачком напряжения от 10 В (или ниже) до 100 В в диапазоне пикосекунд. Устройство способно генерировать эту искру почти непрерывно, что означает, что он может излучать до 50 миллионов сигналов каждую секунду. При подключении к антеннам система может генерировать и излучать мощные ТГц волны.

Устройство состоит из двух металлических пластин, расположенных очень близко друг к другу, на расстоянии до 20 нанометров. При подаче напряжения электроны направляются к одной из пластин, где они образуют наноплазму. Как только напряжение достигает определенного порога, электроны почти мгновенно испускаются во вторую пластину. Это быстрое движение, обеспечиваемое такими быстрыми переключателями, создает высокоинтенсивный импульс, который производит высокочастотные волны.

Обычные электронные устройства способны переключаться только со скоростью до одного вольт в пикосекунду – слишком медленно, чтобы генерировать мощные ТГц волны.

Новое наноустройство, которое может быть более чем в десять раз быстрее, может генерировать как высокоэнергетические, так и высокочастотные импульсы. “Обычно невозможно достичь высоких значений для обеих переменных”, – говорит Матиоли. “Высокочастотные полупроводниковые приборы имеют наноразмерный размер. Они могут справиться только с несколькими вольтами, прежде чем вырваться. Между тем мощные устройства слишком велики и медленны для генерации терагерцевых волн. Наше решение состояло в том, чтобы пересмотреть старое поле плазмы с использованием самых современных технологий изготовления наноразмерных элементов, чтобы предложить новое устройство, чтобы обойти эти ограничения”.

По словам Матиоли, новое устройство доводит все переменные до крайности: “Высокочастотные, мощные и наноразмерные не являются терминами, которые вы обычно слышите в одном предложении”.

“Эти наноустройства, с одной стороны, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень простоты и дешевизны, а с другой стороны, демонстрируют превосходную производительность. Кроме того, они могут быть интегрированы с другими электронными устройствами, такими как транзистор. Учитывая эти уникальные свойства, наноплазма может сформировать новое будущее для области сверхбыстрой электроники”, – говорит Самизаде.

Эта технология может иметь широкое применение помимо генерации ТГц-волн. “Мы уверены, что появятся более инновационные приложения”, – добавляет Матиоли.