Физики готовят базу для возможного перехода на терагерцевый диапазон в области телекоммуникаций
- 18.04.2024
Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и создали плазмонный интерферометр терагерцевого диапазона – прибор, который с высокой точностью способен определять оптические свойства материалов. Эта актуальная научно-технологическая задача позволит быстрее перейти в область терагерцевых частот в сфере телекоммуникаций. Терагерцевые частоты, в отличие от широко используемых СВЧ, способны передавать с большей скоростью больший объем данных, до 1 Тбит/с. Разработанный физиками плазмонный интерферометр уникален – для изучения оптических свойств металлов и полупроводников, на основе которых создаются интегральные компоненты для систем беспроводной связи, используются не классические электромагнитные волны, а поверхностные плазмон-поляритоны. Эта разновидность не излучаемой в пространство электромагнитной волны распространяется по поверхности материала вместе с волной свободных зарядов, которая способна более точно характеризовать поверхностные свойства изучаемых образцов на глубине скин-слоя. Интерферометр успешно протестирован на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ), входящем в инфраструктуру ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения» (ЦКП СЦСТИ). Результаты опубликованы в журналах Instruments and Experimental Technichs и Applied Sciences.
Современные устройства передачи и обработки сигналов, например, 4G, работают на сверхвысоких частотах (СВЧ). Средний объем передачи и скорость обработки данных в этом микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0.5 до 100 Гбит в секунду. Чтобы увеличить этот параметр специалисты осваивают терагерцевый (ТГц) диапазон. Разрабатываемые в настоящее время телекоммуникационные устройства ТГц диапазона, в том числе системы беспроводной связи, такие как 6G, смогут увеличить это значение до 1 Тбит/с.
«И это только одна из областей применения терагерцевых волн, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. – ТГц диапазон привлекателен для биологии и медицины. Например, за рубежом активно развивается диагностика офтальмологических заболеваний и онкологических заболеваний кожи при помощи ТГц волн. Прозрачность большинства пластиков, бумаги и тканей для ТГц излучения позволяет использовать его для обнаружения скрытых предметов, что актуально для систем безопасности. Терагерцевые телескопы используются для изучения реликтового космического излучения, что позволяет получать больше информации о ранних этапах жизни Вселенной. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет диагностировать и исследовать различные новые материалы, в том числе наноразмерных масштабов».
Cтарший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. Фото Т. Морозовой.
Актуальные исследования физиков ИЯФ СО РАН нацелены на изучение материалов, из которых возможно создавать так называемые планарные интегральные пассивные и активные плазмонные схемы, в которых сигнал передается в виде поверхностных электромагнитных волн – плазмон-поляритонов. При проектировании таких схем необходимо знать оптические свойства металл-диэлектрических и полупроводниковых поверхностей, на которых они создаются. Для этой задачи специалисты разработали и создали плазмонный интерферометр Майкельсона, работающий в ТГц диапазоне.
«Плазмон – это фактически колебания ансамбля электронов, а поляритон – это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон – это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов (электронов или ионов), который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль нее, – объясняет Василий Герасимов. – Плотно прилегая к поверхности проводника, такая волна на очень небольшую глубину (порядка десятка нанометров) проникает в материал, поэтому свойства плазмон-поляритонов, а значит энергоэффективность плазмонных схем и качество передаваемой с их помощью информации, сильно зависит от оптических свойств приповерхностного слоя материала и его покрытий, из которых делаются интегральные схемы. И тут встает задача – а какие материалы использовать? Многие стандартные материалы: металлы, полупроводники хорошо исследованы (даже в терагерцевом диапазоне), но только сделано это с помощью классических спектроскопических методов с использованием объемного излучения, взаимодействующего с исследуемой средой. Получаемые данными методами результаты несут информацию в основном об объемных свойствах материала, а не о поверхностных, которые важны для плазмоники. Экспериментально изучить оптические свойства материала при помощи поверхностной волны и получить более точную информацию о характеристиках образца довольно сложно. Во-первых, нужен достаточно мощный, стабильный и перестраиваемый по частоте источник ТГц излучения, а, во-вторых, необходимо решить многие экспериментальные проблемы».
Ученым ИЯФ СО РАН совместно с группой из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН, г. Москва), которые в самом начале явились инициаторами данных исследований, удалось справиться со многими задачами благодаря целенаправленной систематической работе и полученному экспериментальному опыту, а также наличию в инфраструктуре Института Новосибирского лазера на свободных электронах. Мощный терагерцевый ЛСЭ является одной из главных пользовательских установок ЦКП «СЦСТИ». Средняя мощность излучения этого лазера в ТГц диапазоне является рекордно большой в мире, и, по-видимому, останется такой в ближайшее время. По спектральной плотности мощности излучения Новосибирский ЛСЭ в области частот 0.8-10 ТГц на несколько порядков превосходит все существующие в мире источники.
«Многие отечественные и зарубежные научные группы занимались исследованиями в области ТГц плазмоники в 70 – 2000-х гг., но прекратили, так как столкнулись с большими экспериментальными сложностями. Поэтому наши работы в данной области можно считать пионерскими, – добавляет Василий Герасимов. – Впрочем, у нас это заняло очень много времени. Мы начали вести фундаментальные исследования плазмон-поляритонов в терагерцевом диапазоне вместе с сотрудниками НТЦУП РАН более десяти лет назад, и только первые несколько лет мы учились генерировать поверхностную ТГц волну и отделять ее от классической электромагнитной волны. На сегодняшний день мы умеем генерировать плазмоны, управлять их распространением и характеристиками, изучили, как эти характеристики зависят от оптических свойств, шероховатости и геометрии поверхности. Таким образом, из фундаментальных работ по исследованию свойств поверхностных плазмон-поляритонов, по кирпичикам, получилось разработать уникальное оборудование – плазмонный интерферометр Майкельсона ТГц диапазона частот».
Оптическая схема полной установки из двух интерферометров, одним из которых является плазмонный. Иллюстрация предоставлена В. Герасимовым.
В основе данного устройства лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. На нем американский физик Альберт Майкельсон впервые наиболее точно измерил длину волны света в 1887 г. В отличие от классической схемы физики ИЯФ СО РАН использовали вместо электромагнитных волн поверхностный плазмон-поляритон, который и является носителем информации. На данный момент разработанный и апробированный на ТГц излучении Новосибирского лазера на свободных электронах плазмонный интерферометр продемонстрировал возможность решения поставленных задач, а именно – изучения оптических свойств поверхности материалов и тонких пленок.
«Нам повезло, что у нас есть ЛСЭ, – рассказывает Василий Герасимов. – Характеристики лазера на свободных электронах ИЯФ СО РАН – монохроматичность и когерентность излучения и, что важно, высокая средняя мощность, аналогов которой в мире нет, позволили нам пройти многие трудности и препятствия. И теперь, апробировав интерферометр на мощном лазере, исследовав и подобрав оптимальные режимы работы установки, узнав многое о плазмонах, мы можем работать с менее мощными источниками ТГц излучения, практически настольными, тем самым расширив практическое применение данного метода. Апробация проходила на металлических пленках, которые напыляются на подложку методом магнетронного распыления у нас же в ИЯФ СО РАН. Мы не только измерили оптические свойства пленок, но и выяснили, что от технологии их напыления, материала и шероховатости подложки, сильно зависят оптические свойства материала. Теперь эту информацию могут использовать и наши коллеги, так как металлические пленки используются при изготовлении рентгеновских зеркал для ЦКП “Сибирский кольцевой источник фотонов”. В настоящее время проводится измерение оптических констант нового композитного материала на основе графеновых наночастиц, нанесенного в виде пленок толщиной 1-400 нм методом 2D-печати (производства Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН). Но в целом наш интерферометр может использоваться для исследований тонкопленочных материалов для любой области применения терагерцевых частот, о которых говорилось выше».