Nanozariadenie na generovanie vysokovýkonných terahertzových vĺn

Terahertzove (THz) vlny spadajú medzi mikrovlnné a infračervené žiarenie v elektromagnetickom spektre, oscilujú pri frekvenciách 100 až 30 biliónov cyklov za sekundu. Tieto vlny sú významné pre svoje charakteristické vlastnosti: môžu preniknúť cez papier, odev, drevo a steny, ako aj odhaľovať znečistenie ovzdušia. THz zdroje môžu spôsobiť revolúciu v bezpečnostných a lekárskych zobrazovacích systémoch. Navyše ich schopnosť prenášať veľké množstvo údajov by mohla byť kľúčom k rýchlejšej bezdrôtovej komunikácii.

THz vlny sú neionizujúce žiarenie, čo znamená, že nepredstavuje žiadne riziko pre ľudské zdravie. Táto technológia sa už používa na niektorých letiskách na skenovanie cestujúcich a zisťovanie nebezpečných predmetov a látok.

Napriek tomu sa však vlny THz často nepoužívajú, pretože ich generovanie je nákladné a ťažkopádne. Ale nové technológie vyvinuté výskumníkmi v EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) by toto všetko mohli zmeniť. Tím v laboratóriu pre výskum elektroniky s vysokým a širokopásmovým odstupom (POWERlab), vedený prof. Elisonom Matiolim, skonštruovali nanovodič, ktorý dokáže generovať signály s extrémne vysokým výkonom za pár pikosekúnd alebo jednu bilióntu sekundy, čo vytvára vysoko výkonné vlny THz.

Technológia, ktorá sa môže integrovať s čipmi alebo flexibilnými médiami, by sa mohla jedného dňa nainštalovať do smartfónov a iných vreckových zariadení. Práca Mohammada Samizadeh Nikoo, PhD. študenta v POWERlabe, bol uverejnený v časopise Nature.

Kompaktné, lacné, pllne elektrické nanozariadenie generuje vlny vysokej intenzity z malého zdroja. Funguje tak, že vytvára silnú „iskru“ s napäťovým nárastom od 10 V (alebo nižším) do 100 V v rozmedzí pikosekundy. Zariadenie je schopné túto iskru generovať takmer nepretržite, čo znamená, že môže každú sekundu vysielať až 50 miliónov signálov. Keď je pripojené k anténe, systém môže produkovať a vyžarovať vysokovýkonné THz vlny.

Prístroj pozostáva z dvoch kovových dosiek umiestnených veľmi blízko seba, vo vzdialenosti 20 nm. Keď je použité napätie, elektróny putujú smerom k jednej z platní, kde tvoria nanoplazmu. Akonáhle napätie dosiahne určitú prahovú hodnotu, elektróny sú emitované takmer okamžite do druhej platne. Tento rýchly pohyb umožňovaný takými rýchlymi prepínačmi vytvára impulz vysokej intenzity, ktorý vytvára vysokofrekvenčné vlny.

Konvenčné elektronické zariadenia sú schopné prepínania iba pri rýchlostiach do jedného voltu za pikosekundu, čo je príliš pomalé na to, aby mohli produkovať vysokovýkonné THz vlny.

Nová nanozariadenie, ktoré môže pracovať viac ako desaťkrát rýchlejšie, môže generovať vysokofrekvenčné aj vysokofrekvenčné impulzy. „Normálne je nemožné dosiahnuť vysoké hodnoty pre obe premenné,“ hovorí Matioli. „Vysokofrekvenčné polovodičové zariadenia majú nanočlánky. Pred vypuknutím dokážu zvládnuť len niekoľko voltov. Vysoko výkonné zariadenia sú zatiaľ príliš veľké a pomalé na generovanie terahertzových vĺn. Naším riešením bolo vrátiť sa k starému plazmovému poľu a pomocou najmodernejších techník výroby nanomateriálov navrhnúť nové zariadenie na prekonanie týchto obmedzení. “

Podľa Matioliho nové zariadenie posúva všetky premenné do extrému: „Vysokofrekvenčné, vysokovýkonné a nanoškála nie sú pojmy, ktoré by ste normálne počuli v tej istej vete.“

„Tieto nanovrstvy prinášajú jednak extrémne vysokú úroveň jednoduchosti a nízkej ceny a na druhej strane vykazujú vynikajúci výkon. Okrem toho môžu byť integrované s inými elektronickými zariadeniami, ako sú tranzistory. Vzhľadom na tieto jedinečné vlastnosti, nanoplazma môže formovať inú budúcnosť pre oblasť ultra rýchlej elektroniky,“ hovorí Samizadeh.

Táto technológia by mohla mať rozsiahle aplikácie nad rámec generovania THz vĺn. „Sme si istí, že príde viac inovatívnych aplikácií,“ dodáva Matioli.

 

Viac informácií: Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2118-y ,

Terahertz (THz) waves fall between microwave and infrared radiation in the electromagnetic spectrum, oscillating at frequencies of between 100 billion and 30 trillion cycles per second. These waves are prized for their distinctive properties: they can penetrate paper, clothing, wood and walls, as well as detect air pollution. THz sources could revolutionize security and medical imaging systems. What’s more, their ability to carry vast quantities of data could hold the key to faster wireless communications.

THz waves are a type of non-ionizing radiation, meaning they pose no risk to human health. The technology is already used in some airports to scan passengers and detect dangerous objects and substances.

Despite holding great promise, THz waves are not widely used because they are costly and cumbersome to generate. But new technology developed by researchers at EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) could change all that. The team at the Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), led by Prof. Elison Matioli, built a nanodevice that can generate extremely high-power signals in just a few picoseconds, or one trillionth of a second, which produces high-power THz waves.

The technology, which can be mounted on a chip or a flexible medium, could one day be installed in smartphones and other hand-held devices. The work first-authored by Mohammad Samizadeh Nikoo, a Ph.D. student at the POWERlab, has been published in the journal Nature.

The compact, inexpensive, fully electric nanodevice generates high-intensity waves from a tiny source in next to no time. It works by producing a powerful „spark,“ with the voltage spiking from 10 V (or lower) to 100 V in the range of a picosecond. The device is capable of generating this spark almost continuously, meaning it can emit up to 50 million signals every second. When hooked up to antennas, the system can produce and radiate high-power THz waves.

The device consists of two metal plates situated very close together, down to 20 nanometers apart. When a voltage is applied, electrons surge towards one of the plates, where they form a nanoplasma. Once the voltage reaches a certain threshold, the electrons are emitted almost instantly to the second plate. This rapid movement enabled by such fast switches creates a high-intensity pulse that produces high-frequency waves.

Conventional electronic devices are only capable of switching at speeds of up to one volt per picosecond—too slow to produce high-power THz waves.

The new nanodevice, which can be more than ten times faster, can generate both high-energy and high-frequency pulses. „Normally, it’s impossible to achieve high values for both variables,“ says Matioli. „High-frequency semiconductor devices are nanoscale in size. They can only cope with a few volts before breaking out. High-power devices, meanwhile, are too big and slow to generate terahertz waves. Our solution was to revisit the old field of plasma with state-of-the-art nanoscale fabrication techniques to propose a new device to get around those constraints.“

According to Matioli, the new device pushes all the variables to the extreme: „High-frequency, high-power and nanoscale aren’t terms you’d normally hear in the same sentence.“

„These nanodevices, on one side, bring an extremely high level of simplicity and low-cost, and on the other side, show an excellent performance. In addition, they can be integrated with other electronic devices such as transistors. Considering these unique properties, nanoplasma can shape a different future for the area of ultra-fast electronics,“ says Samizadeh.

The technology could have wide-ranging applications beyond generating THz waves. „We’re pretty sure there’ll be more innovative applications to come,“ adds Matioli.

 

More information: Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics, Nature (2020).

DOI: 10.1038/s41586-020-2118-y , https://nature.com/articles/s41586-020-2118-y.

 

Illustrative photo: https://phys.org/

Source: https://phys.org/

Prepared by: MS

 

Zdroj: https://phys.org/

Ilustračné foto: https://phys.org/

Spracovala: MS