Совместная команда физиков из Сколтеха, МФТИ и ИТМО создала оптический элемент, с помощью которого можно управлять свойствами терагерцового пучка и разделять его на несколько каналов. Новое устройство в качестве модулятора и генератора вихревых ТГц-пучков можно использовать в медицине, 6G-технологиях и микроскопии. Работа опубликована в журнале Advanced Optical Materials.

ТГц-технологии, в которых сигнал передаётся на частотах порядка 1 трлн герц (промежуток между микроволновым и инфракрасным диапазонами), в настоящее время стремительно развиваются и будут применяться для высокоскоростной 6G-связи, а также в медицине — в качестве альтернативы рентгеновским лучам. Учёные создают оптические элементы, работающие в этом диапазоне частот, и генераторы, которые можно использовать для передачи сигналов.

Физики из МФТИ и Сколтеха совместно уже создали из углеродных нанотрубок вариофокальную зонную пластинку Френеля, которая фокусирует ТГц-излучение, при этом можно управлять её свойствами посредством растяжения. В новой работе учёные подключили к коллаборации коллег из ИТМО, чтобы синтезировать оптический элемент, работающий в ТГц-спектре.

Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, рассказала: «Вместе со Сколтехом и ИТМО мы выиграли совместный конкурс „Клевер“ для исследования в области фотоники и решили создать спиральную зонную пластинку. В ИТМО сделали расчёт формы и поведения этого оптического элемента, в Сколтехе занимались синтезом наноматериалов и созданием элемента заданной геометрии, а мы в МФТИ смогли его апробировать, то есть с экспериментальной точки зрения верифицировать, что он действительно работает, с использованием экспериментальной базы Института общей физики РАН».

Новый оптический элемент представляет собой спиральную зонную пластинку из тонкой плёнки углеродных нанотрубок, которая закручивает волновой фронт пучка проходящего через неё ТГц-излучения. В эксперименте учёные ставили две пластинки подряд, а затем вращали их друг относительно друга. Это приводило к изменению распределения интенсивности прошедшего пучка: он разделялся на области (моды), в одних интенсивность излучения была больше, в других — меньше. Каждая такая мода с определённой интенсивностью может затем выступать в роли канала для передачи информации.

Для экспериментальной проверки свойств пластинок физики использовали метод ТГц-визуализации. Мощный источник излучения светил на пластинку, при помощи системы растрового 2D-сканирования на основе ячейки Голея (приёмника электромагнитного излучения) и субволновой диафрагмы детектировалось распределение интенсивности электромагнитного поля. По этой картине учёные определяли, что пластинка создаёт закрученный пучок, и то, как распределяется интенсивность.

Полученный модулятор можно применять в областях, где нужны фокусировка и изменение положения пучка, например в ТГц-микроскопии, а также биомедицине.

«Переход в ТГц-область осложнён отсутствием единой приборной базы и стандартов для устройств, что само по себе создаёт продуктивную среду для научной конкуренции и создания интересных, оригинальных решений. Одной из ключевых особенностей, подчёркивающих перспективность углеродных нанотрубок, является возможность создания многофункциональных изделий с возможностью тонкой подстройки характеристик с помощью разных эффектов путём настройки отклика на атомарном, супрамолекулярном и микронном уровнях. Нашей трёхсторонней команде впервые удалось добавить новый эффект — взаимодействие разных “узоров из нанотрубок” между собой, что открывает новые возможности для перспективных изделий. Самое интересное: от принципиальной идеи до научной статьи, доказывающей концепт, прошло менее девяти месяцев — это один из самых быстро растущих научных проектов в моей карьере! Безусловно подобный прорыв был бы невозможен без трёхстороннего взаимодействия команд из ИТМО, МФТИ и Сколтеха, что только подчёркивает важность и перспективность посевных программ, стимулирующих внутреннее сотрудничество между научными командами внутри нашей Родины», — поделился Дмитрий Красников, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.

Мария Бурданова добавила: «Проект „Клевер“ у нас продолжен на этот год. Мы планируем изготовить адаптивное вариофокальное устройство терагерцового диапазона на основе таких же спиральных зонных пластин, но с возможностью манипуляций. А относительно использования текущего устройства мы хотим подать патент».

В 2023 году Сколтех, МФТИ и Университет ИТМО запустили программу совместных научно-исследовательских проектов в области фотоники «Клевер». Она нацелена на развитие кооперации между тремя сильнейшими университетами в области фотоники. Задача программы — оказать поддержку учёным (от студентов до постдоков) в начале научной карьеры, привлекая их к участию во передовых научно-исследовательских проектах и поощряя мобильность между высококлассными научными группами. Долгосрочная цель — создание в России крупномасштабных программ по фотонике и в смежных научных областях. Конкурс собрал сильнейших исследователей, работающих в области биофотоники, перспективных фотонных материалов, топологической фотоники, оптических компьютеров, а также лазерной физики и технологий.