Вы, вероятно, никогда не слышали о терагерцовых волнах, но они могут изменить вашу жизнь

Добро пожаловать в электромагнитную темную зону.

Отредактировано 2023-25-06
Установка терагерцового лазера с зелеными лампами и серебряными механизмами в темной комнатеИнженеры из Гарварда, Массачусетского технологического института и армии США создали эту экспериментальную терагерцовую лазерную установку в 2019 году. Они являются одними из немногих, кому это удалось.

В электромагнитном спектре есть промежуток, куда инженеры не могут ступить.

Спектр охватывает все - от радиоволн и микроволн до света, который попадает в наши глаза, рентгеновских и гамма-лучей. И люди овладели искусством посылать и принимать почти все из них.

Однако есть и исключение. Между лучами видимого света и всплесками радиопомех находится мертвая зона, где наши технологии неэффективны. Она называется терагерцовым промежутком. Вот уже несколько десятилетий никому не удается создать потребительское устройство, способное передавать терагерцовые волны.

Электромагнитный спектр с цветами радуги и обозначениями длин волнТерагерцовый диапазон лежит в тонкой области электромагнитного спектра между микроволнами и инфракрасным излучением. Фотографии месторождений

"Существует целый список потенциальных применений, - говорит Цин Ху, инженер-электрик из Массачусетского технологического института.

Но некоторые исследователи постепенно добиваются успеха. Если они добьются успеха, то смогут открыть целый набор новых технологий, например, преемника Wi-Fi или более умную систему обнаружения рака кожи.

Тайна терагерцового излучения

Посмотрите на терагерцовый промежуток как на пограничную зону. С левой стороны находятся микроволны и более длинные радиоволны. С правой стороны находится инфракрасный спектр. (Некоторые ученые даже называют терагерцовый промежуток "дальним инфракрасным"). Наши глаза не видят инфракрасного излучения, но для наших технологий это такой же свет.

Радиоволны имеют решающее значение для связи, особенно между электронными устройствами, что делает их универсальными в современной электронике. Свет питает оптические волокна, которые лежат в основе Интернета. Эти сферы технологий обычно питаются разными длинами волн и нелегко сосуществуют в современном мире.

Но обе сферы с трудом проникают далеко в нейтральную зону терагерцового излучения. Стандартные электронные компоненты, такие как кремниевые чипы, не могут работать достаточно быстро, чтобы создавать терагерцовые волны. Технологии производства света, такие как лазеры, которые чувствуют себя как дома в инфракрасном диапазоне, также не работают с терагерцовыми волнами. Еще хуже то, что терагерцовые волны недолго сохраняются в атмосфере Земли: Водяной пар в воздухе имеет тенденцию поглощать их уже через несколько десятков футов.

Есть несколько терагерцовых длин волн, которые могут пробиться сквозь водяной пар. Астрономы создали телескопы, улавливающие эти диапазоны, которые особенно хороши для наблюдения за межзвездной пылью. Для наилучшего использования эти телескопы должны быть размещены в самых высоких и сухих местах планеты, например, в чилийской пустыне Атакама, или вообще за пределами атмосферы в космосе.

Остальная часть терагерцового промежутка окутана туманом. Исследователи, такие как Ху, пытаются это исправить, но это нелегко.

Инженерные терагерцовые волны

Когда дело доходит до освоения терагерцовых волн, мир электроники сталкивается с фундаментальной проблемой. Чтобы попасть в этот промежуток, кремниевые чипы в нашей электронике должны быстро пульсировать - с частотой триллионы циклов в секунду (отсюда терагерцовые волны). Чипы в вашем телефоне или компьютере могут прекрасно работать при миллионах или миллиардах циклов в секунду, но им трудно достичь триллионов. Экспериментальные терагерцовые компоненты, которые действительно работают, могут стоить столько же, сколько роскошный автомобиль. Инженеры работают над тем, чтобы снизить цены.

В другом царстве, мире света, уже давно пытаются создать такие устройства, как лазеры, которые могли бы дешево создавать терагерцовые волны на определенных частотах. Исследователи говорили о том, как сделать такой лазер, еще в 1980-х годах. Некоторые считали, что это невозможно.

Но Ху из MIT так не думал. "Я ничего не знал о том, как делать лазеры", - говорит он. Тем не менее, создание такого лазера стало его задачей.

Затем в 1994 году ученые изобрели квантово-каскадный лазер, который был особенно хорош для получения инфракрасного света. Все, что нужно было сделать Ху и его коллегам, это перевести лазер в более длинные волны дальнего инфракрасного диапазона.

Примерно в 2002 году им удалось создать терагерцовый квантовый каскадный лазер. Но была одна загвоздка: Для работы системы требовалась температура около -343 градусов по Фаренгейту. Для работы также требовался жидкий азот, что затрудняло ее использование вне лаборатории или криогенных условий.

За два десятилетия, прошедших с тех пор, этот температурный порог повысился. Последние лазеры из лаборатории Ху работают при более спокойной температуре - 8 градусов по Фаренгейту. Это не совсем комнатная температура, но она достаточно теплая, чтобы лазер можно было охладить в переносном холодильнике и вынести из лаборатории. Тем временем в 2019 году команда из Гарварда, Массачусетского технологического института и армии США создала терагерцовый лазер размером с обувную коробку, который может изменять молекулярный газ.

Сгибаемый желтый чип с терагерцовыми волнами, на который капают пальцы в белых перчаткахНаноразмерный генератор терагерцовых волн, созданный инженерами Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии в 2020 году, может быть реализован на гибких подложках. EPFL/POWERlab

За то время, которое потребовалось Ху для точной настройки лазера, электроника тоже продвинулась вперед. Совершенствование способов создания чипов и материалов, из которых они изготавливаются, позволяет им работать все быстрее и быстрее. (Наноплазменный чип, созданный группой из Швейцарии в 2020 году, был способен передавать 600 милливатт терагерцовых волн, но, опять же, только в лаборатории). Хотя инженеры-электрики хотят видеть больший прогресс, разработка терагерцовых компонентов уже не является далекой мечтой.

"Теперь мы можем создавать действительно сложные системы на чипе", - говорит Руонан Хань, инженер-электрик из Массачусетского технологического института. "Поэтому я думаю, что ландшафт меняется".

"За последние тридцать лет прогресс был достигнут с двух сторон", - говорит Марк Шервин, физик из Терагерцового центра Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. "Это все еще относительно редкое явление, но, я бы сказал, гораздо, гораздо, гораздо более распространенное... и гораздо более простое".

Такие десятилетия - обычное явление в мире, где новые технологии проходят через циклы шумихи и разочарований. Среди инженеров терагерцовый диапазон не является исключением.

Будущее терагерцовых технологий

Пока две сферы, пытающиеся войти в темную зону терагерцового диапазона с любой стороны, остаются в значительной степени разделенными. Тем не менее, они дают миру науки новые возможности в широком спектре дисциплин.

Некоторые из этих способностей могут ускорить связь. Ваш Wi-Fi работает на микроволнах: Терагерцовый диапазон с более высокими частотами, чем микроволны, может создать лучшее соединение, которое будет на порядки быстрее. Через провод он также может создать молниеносное соединение между USB и волоконной оптикой.

Терагерцовые волны также идеально подходят для обнаружения веществ. Почти каждая молекула имеет спектр "отпечатков пальцев" в терагерцовом диапазоне частот, - говорит Шервин. Это делает терагерцовые волны оптимальными для обнаружения таких химических веществ, как взрывчатые вещества и молекулы лекарств". Астрономы уже используют эту способность для изучения химического состава космической пыли и небесных объектов". Ближе к Земле Хан представляет себе терагерцовый "электронный нос", который сможет различать даже запахи в воздухе.

Терагерцовые сигнатуры также делают дальний инфракрасный диапазон идеальным для сканирования людей и объектов. Терагерцовые волны могут видеть сквозь вещи, которые не может видеть свет, например, одежду, а также избегать потенциально вредного ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи. Сотрудники служб безопасности уже проявили интерес к этой технологии.

Единственная сканирующая характеристика, которой не хватает терагерцовым волнам, заключается в том, что они не могут проникать через воду - в воздухе и в человеческом теле. Но это не является препятствием для медицины. Врач может использовать терагерцовое устройство для выявления тонких признаков рака кожи, которые рентгеновские лучи могут пропустить; или невролог может использовать его для сканирования мозга мыши.

Ху считает, что исследования еще только начинаются. "Если мы сможем разработать инструменты, которые действительно смогут что-то увидеть и не будут тратить вечность на сканирование какой-то области, это может привлечь потенциальных практиков", - говорит он. "Это открытый вопрос".

Большая часть терагерцового промежутка остается белым пятном на картах исследователей, что означает, что оборудование, использующее желанные дальние инфракрасные волны, просто еще не распространено.

"У исследователей не так много шансов изучить, на что способны [терагерцовые волны]", - говорит Хан. Так что пока более быстрый и чувствительный мир внутри зазора остается в основном в их воображении".