I ricercatori dell’EPFL, in collaborazione con l’Università di Harvard e il Politecnico di Zurigo, hanno sviluppato un nuovo circuito a film sottile che, collegato a un raggio laser, genera onde di frequenza terahertz sintonizzabili con precisione. Questo dispositivo apre un mondo di potenziali applicazioni nell’ottica e nelle telecomunicazioni.
Sotto la guida di Cristina Benea-Chelmus, gli scienziati del Laboratorio di Fotonica Ibrida ( HYLAB ) della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL hanno compiuto un importante passo avanti per sfruttare con successo la gamma dei terahertz, che si trova tra i 300 e i 30.000 gigahertz (da 0,3 a 30 THz) nello spettro elettromagnetico. Questo intervallo è attualmente una sorta di zona morta tecnologica, che descrive frequenze troppo veloci per gli attuali dispositivi elettronici e di telecomunicazione, ma troppo lente per le applicazioni ottiche e di imaging.
Ora, utilizzando un chip estremamente sottile con un circuito integrato fotonico in niobato di litio, i ricercatori dell’HYLAB, in collaborazione con i colleghi dell’Università di Harvard e dell’ETHZ, non solo sono riusciti a produrre onde terahertz, ma hanno anche ideato una soluzione per adattarne la frequenza, la lunghezza d’onda, l’ampiezza e la fase. Un controllo così preciso della radiazione terahertz significa che ora può essere sfruttata per applicazioni di nuova generazione nei campi dell’elettronica e dell’ottica. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Communications.
"Vedere i dispositivi emettere radiazioni con le proprietà che avevamo predefinito ci ha permesso di confermare che il nostro modello era corretto", spiega Alexa Herter, dottoranda al Politecnico di Zurigo e coautrice dell’articolo.
"Questo è stato possibile grazie alle caratteristiche uniche della fotonica integrata del niobato di litio", aggiunge il primo autore Amirhassan Shams-Ansari, borsista presso l’Università di Harvard.
Compatibilità con le telecomunicazioni
Cristina Benea-Chelmus spiega che, sebbene tali onde terahertz siano già state prodotte in laboratorio, gli approcci precedenti si basavano principalmente su cristalli sfusi per generare le frequenze giuste. L’uso da parte del suo laboratorio di circuiti di niobato di litio, finemente incisi su scala nanometrica da collaboratori dell’Università di Harvard, rende il loro nuovo approccio molto più razionale. L’uso di un substrato di silicio consente inoltre di integrare il dispositivo in sistemi elettronici e ottici.
"È estremamente difficile creare onde ad altissima frequenza e le tecniche per generarle con modelli unici sono molto rare. Ora possiamo progettare l’esatta forma temporale dell’onda terahertz al punto da poter dire: ’Voglio una forma d’onda che assomigli a questa’", spiega l’autrice.
Per ottenere questo risultato, il laboratorio di Cristina Benea-Chelmus ha progettato la disposizione dei canali del chip, chiamati guide d’onda, da cui microscopiche antenne diffondono le onde terahertz generate dalla luce delle fibre ottiche.
"Il fatto che il nostro dispositivo utilizzi già un segnale ottico standard è davvero un vantaggio, perché significa che questi nuovi chip possono essere utilizzati con i laser tradizionali, che funzionano molto bene e sono perfettamente compresi. In altre parole, il nostro dispositivo è compatibile con le telecomunicazioni", afferma Cristina Benea-Chelmus. Aggiunge che i dispositivi miniaturizzati che inviano e ricevono segnali nella gamma dei terahertz potrebbero svolgere un ruolo chiave nei sistemi mobili di sesta generazione (6G).
Nel campo dell’ottica, Cristina Benea-Chelmus vede un particolare potenziale per i chip miniaturizzati di niobato di litio nella spettroscopia e nell’imaging. Oltre a non essere ionizzanti, le onde terahertz sono molto meno energetiche di molti altri tipi di onde (come i raggi X) attualmente utilizzati per fornire informazioni sulla composizione di un materiale, sia esso un osso o una vernice ad olio. Un dispositivo compatto e non distruttivo come il chip di niobato di litio potrebbe quindi fornire un’alternativa meno invasiva alle attuali tecniche spettrografiche.
"Possiamo immaginare di inviare radiazioni terahertz attraverso un materiale di interesse e analizzarle per misurare la risposta del materiale, a seconda della sua struttura molecolare. Tutto questo da un dispositivo più piccolo della testa di un fiammifero".
Il futuro quantistico
Successivamente, Cristina Benea-Chelmus intende modificare le proprietà delle guide d’onda e delle antenne del chip per creare forme d’onda con ampiezze maggiori e frequenze e tassi di decadimento più precisi. L’autrice ritiene che la tecnologia terahertz sviluppata nel suo laboratorio potrebbe essere utile anche per le applicazioni quantistiche.
"Ci sono molte domande fondamentali a cui rispondere. Per esempio, vogliamo sapere se possiamo usare questi chip per generare nuovi tipi di radiazioni quantistiche che possono essere manipolate su scale temporali estremamente brevi. Nella scienza quantistica, tali onde possono essere utilizzate per controllare gli oggetti quantistici".
RiferimentiHerter, A., Shams-Ansari, A., Settembrini, F.F. et al. Sintesi di forme d’onda terahertz in una piattaforma integrata a film sottile di niobato di litio. Nat Commun 14, 11 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467’022 -35517-6
