Veijo Hänninen

Terahertsit käyttöön

Perinteisten elektroniikan ja optiikan väliin sijoittuvien terahertsien aallonpituudet läpäisevät materiaaleja, jotka yleensä mielletään läpinäkymättömiksi kuten iho, muovit, vaatteet ja pahvi. Terahertsejä voidaan käyttää myös tunnistamaan tiettyjä kemiallisia yhdisteitä.

Kaikkien näiden tutkaaminen edullisesti ja vähäisellä haittavaikutuksella olisi toivottavaa mutta on ollut vaikea valmistaa pieniä, tehokkaita ja edullisia laitteita tuottamaan terahertsien eli alimillimetrien säteilyä. Nanotekniikka lupailee parannusta tähänkin ongelmaan.

Nihkeästi syntyviä aaltoja

Monet avaruuden ilmiöt ja jopa ihmiskeho tuottavat mikro- ja terahertsialueen aaltoja mutta monessa sovelluksessa on myös tarpeen tuottaa niitä.

Kun aallonpituudet ovat millimetrin murto-osia, lyhyempiä kuin mikroaalto ja pidempiä kuin infrapunan, terahertsiaallot ovat verrattain vaikea luoda, muokata ja havaita. Terahertsit ovat tavallaan sekä elektronisa että optisia samaan aikaan. Ne ovat kuitenkin liian heikkoja normaalille optiikalle ja liian vahvoja standardille elektroniikalle.

Esimerkiksi vuonna 2014 Los Alamosin tutkijat pyrkivät hyödyntämään kvanttimekaanista Josephson-ilmiötä. Kun Josephson-liitokseen kytketään jännite, syntyy tunneloinniksi kutsuttu värähtely. Ilmiö tuottaa terahertsitaajuuksien värähtelyjä.

Yksi Josephson-liitos tuottaa vain noin triljoonasosa watin tehon. Tehon kasvattaminen liitoksia rinnakkain kytkemällä on kuitenkin ylitsepääsemätön tekninen haaste.

Sen sijaan Los Alamosin tutkijat hyödyntävät kiteisessä BSCCO-kalvossa olevaa vaikutusta toimimaan yhdistäjänä noin 10 000 atomitason Josephson-liitokselle. Liitokset on pakattu niin lähelle toisiaan, että niiden omat värähtelyt synkronoituvat ja aiheuttavat koherentin, laser-tyyppisen emission.

Kuitenkin tämäkin konsepti vaatii toimiakseen noin -200 Celsius-asteen kylmyyden ja oikein suunnattuja atomikerroksia kalvomateriaalissa.

Käyttökelpoisempi ratkaisu

Jotta saataisiin käyttöön uudemman sukupolven terahertsijärjestelmiä, monen tutkijan tähtäimessä on yhden komponentin ratkaisu, joka pystyy huoneenlämpötilassa jatkuvaan aaltoon ja laajaan taajuusviritettävään toimintaan.

Northwesternin yliopistossa Manijeh Razeghi ryhmineen osoitti keväällä 2016 esitetyn tavoitteen yhdenlaisen toteutuksen. Perustuen epälineaariseen sekoittumiseen kvanttikaskadilasereissa, lähde voi lähettää jopa usean milliwattien tehon säädettävällä taajuusalueella 2,06 – 4,35 terahertsiä.

Tämä uusi tutkimus pohjautuu Razeghin ryhmän monen vuoden tutkimuksiin, joihin sisältyy muun muassa ensimmäisen huonelämmössä toimivan yksimuotoisen terahertsilaserin kehittäminen vuonna 2011.

Edullinen terahertsien lähde

Kansainväliset tutkijat Fritz Haber Institute of Max Planck -instituutista Berliinistä ovat äskettäin kehittäneet edullisemman ratkaisun terahertsien säteilylle.

Innovaatio helpottaa tuottaa säteilyä, joka sopii erityisesti pehmeiden materiaalien analysointiin ja voitaisiin siksi käyttää elintarvike- ja lääketeollisuuden parissa.

Terahertz Physics Research Groupin johtaja Tobias Kampfrathin johtaman ryhmän luoma emitteri tuottaa 1 - 30 terahertsisen spektrin säteilyä suhteellisen alhaisin kustannuksin.

Lähteen tehonlähteenä on kompakti femtosekuntilaseri, joka luo 80 miljoonaa ultralyhyttä valonvälähdystä sekunnissa. Se virittää emitterin, joka koostuu magneettisesta ja ei-magneettisesta vain kolme nanometriä paksuista kerroksista, jotka on kasvatettu lasisubstraatille.

Kun ultralyhyt laserpulssi osuu materiaaliin, se luo virtapurskeen, muuntaen kaksikerroksisen metallirakenteen antenniksi, joka emittoi sähkömagneettisia aaltoja terahertsien taajuuksilla.

Emitterin toiminnassa hyödynnetään elektronivarausvirtausten lisäksi myös niiden spiniä, jotka aiheuttavat virran käyttäytymisen eri tavalla magneettisessa ja ei-magneettisessa metallissa.

Koska metallinen kaksoiskerros on äärimmäisen ohut, sähkömagneettinen säteily ei heikkene juuri lainkaan sen tullessa ulos metallista, kuten tapahtuisi paksummassa kerroksessa.

Lisää tehoa ja kantamaa

Rochesterin yliopistossa luotu terahertsiaalto on yli viisi kertaa vahvempi kuin mitä tuotetaan tavanomaisin keinoin. Tutkijoiden mukaan heidän luoma terahertsiaalto pystyy tunnistamaan ja/tai kuvantamaan kohteita jopa 30 metrin etäisyydeltä.

Tutkimusprojektin epäsovinnaisen lasersäteen käyttö mahdollistaa kaukokartoituksen kemiallisista, biologisista ja räjähtävistä materiaaleista etäisyydeltä, jossa ei tarvitse olla aivan kohteen vieressä.

Terahertsiaallon tuottaa eksoottinen lasersäde eli niin sanottu rengasilmasäde. Tavalliset valonsäteet leviävät edetessään mutta rengasilmasäteet kaartuvat kaikilta osin kohti keskustaa.

Rengasilmasäteen muodostaa avaruudelliseen valomodulaattoriin (SLM), ohjattu lasersäde, joka sisäänpäin romahtaessaan luo erittäin virittyneen alueen vapaita elektroneja eli plasmaa. Nämä elektronit puolestaan generoivat terahertsien aaltoa.

Pienempiä ilmaisimia nanotekniikan avulla

Myös terahertsisäteilyn havaitsemisen on hankalaa koska useimmat ilmaisimet on pidettävä erittäin kylminä, noin 4 Kelvin-asteessa. Muutamat toimivat myös huoneenlämmössä mutta ne ovat kömpelöitä, hitaita ja kalliita.

Kohti pienempiä rakenteita suunnattiin kun tutkijat Sandia National Laboratoriesista sekä yhteistyökumppanit Rice Universitystä ja Tokyo Institute of Technologystä, kehittävät vuonna 2014 terahertsi-ilmaisimia, jotka perustuivat hiilinanoputkiin.

Tiedeyhteisö on ollut pitkään kiinnostunut hiilinanoputkien terahertsialueen ominaisuuksista. Ongelma on ollut, että terahertsiaaltojen suhteellisen suuresta koosta johtuen tarvitaan antenni, jotta saadaan kytkentä nanoputkeen.

Yhteistyöryhmä löysi keinon luoda pieni mutta silmin näkyvä ilmaisin, jossa käytetään hiilinanoputkista muodostettua ohutkalvoa, jonka käyttö ei vaadi antennia.

Tekniikassa yhdistyy metallisten nanoputkien erinomaiset terahertsien absorptio-ominaisuudet ja puolijohtavien hiilinanoputkien elektroniset ominaisuudet. Osoittautui että hiilinanoputkiset ohutkalvot ovat erittäin hyviä sähkömagneettisen valon absorboijia.

Samoihin aikoihin University of Marylandin vetämä ryhmä tutkijoita kehitti huonelämpötilassa toimivan terahertsi-ilmaisimen.

Heidän anturi perustuu grafeeniin ja kuumien elektronien tuottamaan valolämpösähköiseen ilmiöön. Tutkijoiden mukaan ilmaisin on yhtä herkkä kuin mikään silloinen vastaava anturi ja yli miljoona kertaa nopeampi.

Grafeeni mahdollistaa sen, että kun valo absorboituu sen elektroneihin ne kuumenevat mutta eivät menetä energiaansa hilaan vaan siirtyvät grafeenin kautta anturin sähköjohteisiin.

Prototyypissä käytetään kahdenlaisia eri metalleista valmistettuja sähköjohteita. Ne johtavat elektroneja eri tavalla ja niiden johtavuusero tuottaa kaivatun sähköisen signaalin.

Plasma ja Plasmonit avuksi

Yhä pienempiin ilmaisimiin pyrittäessä italialaiset ja ranskalaiset tutkijat esittelivät vuoden 2015 alussa toisenlaisista nanomateriaaleista kehittämänsä rakenteen.

Käyttämällä lähestymistapaa, joka hyödyntää plasma-aaltojen herätettä kenttävaikutustransistorin (FET) kanavassa, italialais-ranskalainen ryhmä pystyi luomaan ensimmäisen FET-ilmaisimen, joka perustuu puolijohtaviin nanolankoihin.

Tutkijoiden mukaan nanolankailmaisin tarjoaa konkreettisen näkökulman sovellusorientoituneelle käytölle, koska se toimii huoneenlämmössä ja havaiten yli kolmen terahertsin taajuuksia.

Keväällä 2016 University of Marylandin (UMD) vetämä tutkijaryhmä kertoi kehittäneensä viritettävän suurialaisen hybridin metalli-grafeeni terahertsi-imaisimen.

Sen toiminta perustuu plasmoniseen resonanssiin grafeenin mikronauhoissa. Grafeeni on erityisen käyttökelpoinen terahertsialueella, koska sen vapaat elektronit värähtelevät kollektiivisesti näillä taajuuksilla. Resonanssitaajuutta voidaan virittää porttiliitännän jännitteellä.

Tähän asti käyttää grafeenia terahertsiantureissa on ollut ensisijaisesti teoreettinen koska ilmaisimen toimimiseksi grafeenin täytyy kytkeytyä metallipintaan ja tämän oli luultu estävän plasmonisen resonanssin.

Mutta ryhmä keksi rakenteen, joka ei estä varausten kerääntymistä kontaktiin ja mahdollistaa signaalin siirtymisen grafeenilta metallin sähköisiin kontakteihin paljon tehokkaammin.

Linssi kuvaukseen ja logiikkaan

Brown Universityn insinöörit ovat kehittäneet uudenlaisen linssin keskittää terahertsien aaltoja.

Linssi koostuu 32:sta sadan mikrometrin paksuisesta metallilevystä ja niiden välisestä 1 millimetrin välistä. Levyissä on erikokoiset puoliympyrän muotoiset lovet yhdellä reunalla, niin että päällekkäiset lovet muodostavat kolmiulotteisen kuopan rakenteen toisella reunalla.

Kun terahertsinen säde tulee levynippuun säteen siivut siirtyvät levyjen väleihin ja lähtöpuolen kovera kuoppa taivuttaa siivuja niin, että kaikki osasiivut keskittyvät tiettyyn pisteeseen.

Rakenteellaan tutkijat pystyivät keskittämään halkaisijaltaan kahden sentin terahertsisäteen neljän millimetrin pisteeksi. Säteilyn siirtyminen laitteen läpi oli noin 80 prosenttia. Se on siten parempi kuin piilinssit, joissa tyypillinen siirtohävikki on noin 50 prosenttia.

Työ toi esiin myös, että rakenne voisi olla käyttökelpoinen valmistettaessa muunlaisia terahertsien komponentteja, jollaisia ei tällä hetkellä ole edes olemassa.

Tekniikan avulla voisi rakentaa polarisoivan säteenjakajan terahertsien aalloille eli rakenteen, joka erottaa aallot niiden polarisaatiotilan mukaan.

Sitä voitaisiin käyttää toteuttamaan alkeislogiikkaportteja terahertsiselle fotoniselle järjestelmälle, joissa binääriset loogiset tilat osoitetaan kahdella polarisaatiotilalla. Sellainen voisi olla olennainen osatekijä terahertsien tietoverkossa.

Terahertsit ja tietoverkot

Ajatus käyttää terahertsien kantoaaltoja langattomaan viestintään mahdollistaisi laajemman kaistanleveyden. Ongelmana on terahertsien nopea vaimeneminen ilmakehän vesimolekyyleihin, joten vähänkään pidemmillä kantamilla lähetteen tehotasot olisivat epäkäytännöllisiä.

Siitä huolimatta aihetta tutkitaan edelleen ja joitakin käytännön ratkaisujakin on syntynyt. Yksi niistä on terahertsiaaltojen kanavointi.

Brownin yliopiston professori Daniel Mittlemanin ryhmä esitteli syksyllä 2015 ensimmäinen toteuttamiskelpoisen strategian multipleksoida terahertsialuetta.

Multiplekserinsa perustana Mittlemanin ryhmällä oli vuotavien aaltojen antenni. Se on rakennettu kahdesta samansuuntaisesta metallilevystä, jotka muodostavat aaltojohdon. Toisessa levyistä on kapea aukko ja toisessa kourumainen ura. Kun terahertsiaallot tulevat aaltoputkeen, osa säteilystä vuotaa raosta ulos.

Tutkijoiden kehittämä laitearkkitehtuuri tarjoaa omaperäisen menetelmän ohjata taajuuksien jakoa, varioimalla aaltoputken levyjen välistä etäisyyttä.

Tämä strategia mahdollistaa multipleksoitavien terahertsikanavien sekä keskitaajuuden että kaistanleveyden riippumattoman hallinnan.

Viime vuonna Brownin yliopiston tutkijat kehittivät terahertsialueelle myös tehonjakajan. Se koostuu T-muotoon järjestetyistä aaltoputkista, jonka keskiössä on väliseinäinen kolmio jota voidaan siirtää oikealle tai vasemmalle. Siten jakosuhdetta voidaan säätää tasasta 50/50 jaosta jopa 95/5 jakoon.

Metamateriaali suuntaa terahertsejä

Kalifornian UCLA-yliopiston sähköinsinöörien johtama tutkimus on kehittänyt keinotekoisen komposiittimateriaalin ohjaamaan korkeampien taajuuksien sähkömagneettisia aaltoja, kuten terahertsejä ja pitkän infrapunan taajuuksia.

Tätä metamateriaaliin perustuvaa ratkaisua voitaisiin käyttää lääketuotannon laadunvalvonnassa tai paikallistamassa syöpäkasvaimia tomografian avulla.

Ryhmän ratkaisussa metamateriaali toimii suuntaavana linssinä, jolla voi kääntää sädettä 44 astetta vertikaalisesti ja horisontaalisesti. Tarkennuspistettä voidaan ohjata elektronisesti eikä nykytapaan mekaanisesti.

Terveellisempää kuin röntgenkuvaus

Terahertsiteknologia olisi omiaan lääketieteen sovelluksille. Toisin kuin perinteiset röntgenkuvat, terahertsiaallot eivät vahingoita ihmisen kudosta.

Yksi merkittävä sovellus, jonka terahertsiteknologia voisi tarjota, on mahdollinen korvaaja magneettikuvauksen (MRI) tekniikalle seuloa syöpää ja muita sairauksia. Ongelmana näin syvälle menevällä terahertsitekniikalla voi nousta ihmiskehon runsas vesipitoisuus.

Pöydälle sopiva elektronitykki

Elektronien ultralyhyillä purskeilla on useita tärkeitä sovelluksia tieteellisessä kuvantamisessa, mutta niiden tuottamiseen tarvitaan tyypillisesti kallis, tehonälkäinen noin auton kokoinen laite.

Tutkijat MIT:stä, German Synchrotronista ja Hampurin yliopistosta ovat kehittäneet uuden tekniikan, joka tuottaa elektronipurskeita, tavalla joka voisi olla perustana kenkälaatikon kokoiselle laitteelle, joka kuluttaa vain murto-osan tehosta kuin edeltäjät.

Avuksi tulee uudenlainen elektronitykki, jossa käytetään terahertsien säteilyä tavanomaisemman RF-säteilyn sijaan.

Kehitetyllä erikoisella levyrakenteella pystytään rajaamaan alimillimetrin säteily pienemmälle alueelle kuin sen oma aallonpituus. Rajaus lisää energiatiheyttä ja kiihdyttävää voimaa, jonka vuoksi, laite voi tyytyä terahertsisäteisiin, joiden teho on paljon pienempi kuin radiotaajuisen säteiden, joita käytetään tyypillisissä RF-tykeissä.

Lisäksi sama laser voi tuottaa sekä UV-säteen että muutamalla optisella lisäkomponentilla, terahertsisäteen.

Tammikuu 2017