Veijo Hänninen

Terahertsiraon umpeen kurontaa

Terahertsien kaista on alue, jossa perinteiset elektroniset laitteet eivät oikein toimi. Mutta monet tutkimustulokset luovat viitteitä että sekin on otettavissa höytykäyttöön.

Cristina Benea-Chelmusin johtamat tutkijat Hybrid Photonics Laboratory of Hybrid Photonicsissa (HYLAB) EPFL:n tekniikan korkeakoulussa ovat ottaneet melkoisen askeleen hyödyntääkseen menestyksekkäästi niin sanottua terahertsiväliä, joka on noin 300 - 30 000 gigahertsin (0,3–30) välillä sähkömagneettisella spektrillä.

Tämä alue on tällä hetkellä teknisesti kuollut alue, tarkoittaen taajuuksia, jotka ovat liian nopeita nykypäivän elektroniikka- ja tietoliikennelaitteille, mutta liian hitaita optiikka- ja kuvantamisen sovelluksiin.

Integroidut fotonipiirit voisivat auttaa

EPFL-tutkijat ovat tehneet yhteistyötä Harvardin ja ETH Zurichin tutkijoiden kanssa uuden ohutkalvopiirin parissa, joka lasersäteeseen yhdistettynä tuottaa hienosti räätälöityjä terahertsitaajuisia aaltoja.

Litiumniobaatista valmistetun integroidulla fotonipiirillä varustetun erittäin ohuen sirun ansiosta tutkijat ovat onnistuneet paitsi tuottamaan terahertsiaaltoja mutta myös kehittämään ratkaisun niiden taajuuksien, aallonpituuden, amplitudin ja vaiheen räätälöintiin.

Tällainen tarkka terahertsisäteilyn hallinta tarkoittaa, että se voitaneen nyt valjastaa seuraavan sukupolven sovelluksiin sekä elektroniikan että optiikan maailmoissa.

Uusien kaivattujen ominaisuuksien saavuttamiseksi Benea-Chelmusin laboratorio suunnitteli sirulle aaltoputkikanavien järjestelyn, joista mikroskooppiset antennit lähettävät optisista kuiduista peräisin olevan valon tuottamia terahertsiaaltoja.

”Se, että laitteemme käyttää jo tavallista optista signaalia, on todella etu koska se tarkoittaa, että näitä uusia siruja voidaan käyttää perinteisten lasereiden kanssa, jotka toimivat erittäin hyvin ja ovat hyvin ymmärrettyjä.

Se tarkoittaa, että laitteemme on tietoliikenneyhteensopiva”, Benea-Chelmus korostaa. Hän lisää, että pienoislaitteet, jotka lähettävät ja vastaanottavat terahertsien signaaleja, voivat olla avainasemassa kuudennen sukupolven matkaviestinjärjestelmissä (6G).

Optiikan maailmassa Benea-Chelmus näkee erityisiä mahdollisuuksia miniatyrisoiduille litiumniobaattisiruille myös spektroskopiassa ja kuvantamisessa. Hän näkee myös potentiaalin, että laboratoriossa kehitetystä terahertsiteknologiasta voi olla hyötyä kvanttisovelluksissa.

Nopea ja herkkä terahertsitunnistus

Yksi tutkimusryhmä on onnistuneesti havainnut terahertsiaaltoja, grafeenitransistorilla, joilla on nopea vaste ja korkea herkkyys huoneenlämpötilassa. Ryhmää johtivat apulaisprofessori Akira Satou Tohokun yliopiston RIEC-tutkimuslaitoksesta (RIEC) ja Hiroaki Minamide RIKEN Center for Advanced Photonics.

Grafeeni on pitkään nähty vastauksena nopean vasteen ja erittäin herkkien terahertsiaaltoilmaisimien aikaansaamiseen ja pystyen toimimaan myös huoneenlämpötilassa. Mutta terahertsiaaltojen ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät sen kuitenkin vaikeaksi.

Fototermosähköinen ilmaisu, joka hyödyntää elektronien ja aukkojen sähkömagneettisten aaltojen absorption lämmittämien spatiaalisen lämpödiffuusioinnin synnyttämät sähkömagneettiset aallot, tunnetaan myös siitä, että se pystyy havaitsemaan nopeasti ja järkevästi terahertsiaaltoja.

Nykyisillä fototermosähköisillä ilmaisimilla on kuitenkin monimutkainen kaksinapainen rakenne, mikä edellyttää, että ilmaisimen kaksi elektrodia on valmistettu eri materiaaleista. Tämä on haasteellisesta sekä korkean suorituskyvyn että massatuotannon suhteen.

Ryhmä saavutti menestystä uudella periaatteella, joka mahdollisti tunnistustoiminnan jopa yksinkertaisimmassa transistorilaitteessa.

"Käytimme unipolaarista transistoria ja grafeenia rakenteessa, jossa vain elektronit olivat mukana", sanoi Satou. "Lisäksi samantyyppisiä metalleja voidaan käyttää kaikille elektrodeille."

Tulevaisuudessa Satou ja hänen tiiminsä aikovat rakentaa käänteentekevään saavutukseensa parantamalla laitteen suorituskykyä.

Terahertsisäteily ja spin-aallot

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) vetämä kansainvälinen tutkimusryhmä on kehittänyt uuden menetelmän terahertsiaaltojen tehokkaaseen kytkemiseen paljon lyhyempiin aallonpituuksiin eli spin-aaltoihin.

Tulokset ovat tärkeä askel uusien, energiaa säästävien spin-pohjaisten tietojenkäsittelyteknologioiden kehittämisessä.

"Pystyimme herättämään tehokkaasti korkeaenergisiä spinaaltoja käyttämällä terahertsivaloa kerrosmaisessa materiaalijärjestelmässä, joka koostuu kahdesta muutaman nanometrin paksuisesta metallikalvosta, joiden välissä on ferromagneettinen kerros", sanoo tohtori Sergey Kovalev.

Elektroneilla on tehokas spin, joka käyttäytyy kuin pyörivä huippu. Ja kuten gyroskooppi, ulkoinen häiriö voi kallistaa spinin pyörimisakselia: Gyroskooppinen liike, jota kutsutaan prekessioksi, seuraa perässä.

Ferromagneettisissa materiaaleissa elektronien spinien välillä on erittäin vahva vuorovaikutus, minkä seurauksena paikallisesti alkanut prekessio jatkuu spin-aallon muodossa läpi ferromagneettisen materiaalikerroksen.

Spinaaltoa – kuten mitä tahansa aaltoa – voidaan käyttää informaation kantajana. Kun jokainen elektronin spin on liikkeessä, se pysyy ferromagneetin atomihilassa paikallaan, joten virtaa ei kulje eikä niistä siten johdu lämpöhäviöitä.

Kätevästi korkeaenergisten spinaaltojen ominaistaajuudet ovat terahertsien alueella. Tämä on juuri uusien ultranopeiden tiedonsiirto- ja käsittelytekniikoiden tavoitealue. Optisen terahertsiteknologian kytkeminen spin-pohjaisiin laitteisiin voisi siten mahdollistaa täysin uusia ja tehokkaita IT-tekniikoiden konsepteja.

Ultranopea nestekytkin terahertsisäteilylle

Saksan Ruhrin yliopiston Bochumin tutkijat ovat kehittäneet erittäin nopean vesipohjaisen kytkimen. Lyhyt mutta voimakas laserpulssi muuttaa veden johtavaan tilaan alle sekunnin biljoonaosassa (10 -12 sekunnissa), jonka aikana se käyttäytyy melkein kuin metalli.

Tällöin se toimii nopeammin kuin mikään puolijohteen tähän mennessä tunnettu kytkentänopeus.

Koska nesteen optiset ominaisuudet vaihtelevat terahertsisykliä lyhyemmällä aikaskaalalla, on mahdollista räätälöidä lähetettävien terahertsikenttien muotoa. Tällä tavalla tutkijat demonstroivat terahertsisäteilyn taajuuden nousun noin 1:stä 3 THz:iin yli 4 %:n hyötysuhteella.

Nestemäinen laser

Tsukuban yliopiston tutkijat osoittivat yksinkertaisen menetelmän tuottaa ionisia nestemäisiä mikropisaroita, jotka ovat erittäin kestäviä ja toimivat tehokkaina ja pitkäikäisinä laseroskillaattoreina.

Toisin kuin olemassa olevat "pisaralaserit", jotka eivät toimi ilman suojausta, tämä uusi kehitys saattaa mahdollistaa lasereita, joita voidaan käyttää jokapäiväisissä olosuhteissa.

Nyt Tsukuban yliopiston tutkijaryhmä on hyödyntänyt keinotekoista lootuskasveista omaksuttua ilmiötä luodakseen nestepisaroita, jotka voivat toimia kuten laserit ja pysyä vakaina jopa kuukauden ajan.

Tutkimuksessa ioninen neste (EMIBF4), sekoitettiin väriaineeseen, joka mahdollistaa sen muuttumisen laseriksi. Sille tarkoitettu kvartsisubstraatti päällystetään pienillä fluoratuilla piidioksidin nanohiukkasilla, jotta pinta hylkii nesteitä niin kuin lootuskasvi. Kun EMIBF4 tiputellaan sille pienet pisarat pysyvät lähes täysin pallomaisina ja vakaina vähintään 30 päivää.

"Tämä on tietojemme mukaan ensimmäinen nestemäinen laseroskillaattori, joka on palautuvasti viritettävä kaasukonvektioilla", sanoo professori Hiroshi Yamagishi.

Laserpisaraa voidaan käyttää myös erittäin herkkänä kosteusanturina tai ilmavirtauksen ilmaisimena. Laserin aallonpituus siirtyy herkästi, kun pisarat altistetaan heikolle tuulelle tai kosteudelle, mitkä vaikuttavat pisaran muodonmuutokseen.

Tutkijat tulostivat laserpisaroita myös mustesuihkutulostimella, joten sen tuotanto on erittäin skaalautuvaa ja helppokäyttöistä.

Terahertsien nopeuksia muisteille

Tokion yliopistossa tehty uusi tutkimus avaa tehokkaan tavan lukea muistitiloja ja se voi tehdä sen myös terahertsien nopeuksilla.

Nykyiset nopeat MRAM-sirut tukeutuvat magneettisiin tai ferromagneettisiin materiaaleihin. Niitä luetaan tunnelointimagnetoresistanssin tekniikalla. Tämä edellyttää, että ferromagneettisen materiaalin magneettiset ainesosat asetetaan rinnakkain. Tämä järjestely luo kuitenkin vahvan magneettikentän, joka rajoittaa nopeutta, jolla muistista voidaan lukea tai kirjoittaa.

"Olemme tehneet kokeellisen läpimurron, joka ylittää tämän rajoituksen, ja se johtuu erilaisesta materiaalista eli antiferromagneeteista", sanoi professori Satoru Nakatsuji.

Nakatsuji ja hänen tiiminsä uskovat, että vaihtonopeudet terahertsialueella on saavutettavissa ja että tämä on mahdollista myös huoneenlämmössä. Idean parantamiseksi tiimin on kuitenkin hiottava laitteitaan, ja niiden valmistustavan parantaminen on avainasemassa.

"Vaikka materiaaliemme atomiaineosat ovat melko tuttuja - mangaani, magnesium, tina, happi ja niin edelleen - tapa, jolla yhdistämme ne käyttökelpoiseksi muistikomponentiksi, on uusi ja tuntematon", tutkija Xianzhe Chen hehkuttaa.

Nämä antiferromagneettiset muistilaitteet hyödyntävät kvantti-ilmiötä, joka tunnetaan lomittumisena tai etävuorovaikutuksena. Mutta tästä huolimatta tämä tutkimus ei liity suoraan yhä kuuluisampaan kvanttilaskentaan.

Tutkijat kuitenkin ehdottavat, että tämänkaltainen kehitys saattaa olla hyödyllistä tai jopa välttämätöntä sillan rakentamiseksi nykyisen elektronisen tietojenkäsittelyn paradigman ja nousevan kvanttitietokoneiden välille.

Helmikuu 2023