Físicos criam componente óptico para 6G

Processo de fabricação de placa de zona espiral. Crédito:Arina Radivon e outros

Uma equipe conjunta de físicos da Skoltech, MIPT e ITMO desenvolveu um componente óptico que ajuda a gerenciar as propriedades de um feixe terahertz e a dividi-lo em vários canais. O novo dispositivo pode ser usado como modulador e gerador de feixes de vórtice terahertz em medicina, comunicações 6G e microscopia. O artigo foi publicado na revista Advanced Optical Materials .

A tecnologia terahertz em rápida evolução envolve a transmissão de sinais a cerca de 1 trilião de hertz, ou 1 THz – entre as bandas de frequência de microondas e infravermelhas. Será utilizado em comunicações 6G de alta velocidade, bem como na medicina, como alternativa aos raios X. Atualmente, os pesquisadores estão focados na criação de componentes ópticos adaptados a essas frequências e geradores que possam ser usados para transmitir tais sinais.

Físicos do MIPT e da Skoltech desenvolveram em conjunto uma placa de zona de Fresnel varifocal baseada em nanotubos de carbono que permite focar a radiação THz e ajustar as propriedades da placa por alongamento. Em seu estudo recente, os pesquisadores uniram forças com o ITMO para sintetizar um componente óptico que funciona na faixa THz.

"Juntamente com a Skoltech e a ITMO, vencemos o concurso Clover para um projeto de pesquisa conjunto em fotônica e decidimos criar uma placa de zona espiral. A ITMO realizou cálculos de projeto para a forma e comportamento da placa, a Skoltech sintetizou nanomateriais e fabricou uma placa com o pretendido geometria, e o MIPT testou experimentalmente a placa usando as instalações do Instituto de Física Geral da RAS", disse Maria Burdanova, pesquisadora sênior do Laboratório de Nanoóptica e Plasmônica do MIPT.

Feita de uma fina película de nanotubos de carbono, a nova placa torce a frente de onda do feixe THz que passa por ela. No experimento, a equipe colocou duas placas lado a lado e depois girou-as uma em relação à outra, alterando a distribuição da intensidade da radiação e dividindo o feixe em várias áreas (modos) de diferentes intensidades de radiação, cada uma das quais poderia ser usada como um canal para transferência de informações.

Exemplo de distribuição espacial de intensidades e fases do feixe próximo ao foco do modulador. Crédito:Modificado de Arina Radivon et al.

A equipe testou experimentalmente as propriedades da placa usando o método de imagem THz. Uma poderosa fonte de radiação foi direcionada para a placa, e a distribuição da intensidade do campo eletromagnético foi detectada usando uma abertura de subcomprimento de onda e um sistema de varredura raster 2D baseado em uma célula de Golay. Os pesquisadores usaram a imagem resultante para garantir que a placa produzisse um feixe torcido e para verificar o padrão de intensidade.

O novo modulador é adequado para uma variedade de aplicações, incluindo microscopia THz e biomedicina, que requerem foco e reposicionamento do feixe.

"Aproveitar a banda THz é um desafio importante devido à falta de instrumentação unificada e padrões de dispositivos. Ao mesmo tempo, abre a porta para pesquisas competitivas e a criação de soluções engenhosas. Uma das principais características que destaca as perspectivas do carbono nanotubos é a possibilidade de criar dispositivos multifuncionais com propriedades que podem ser ajustadas por diferentes efeitos através de respostas nos níveis atômico, supramolecular e mícron.

"Pela primeira vez, nossa equipe conjunta conseguiu introduzir um efeito adicional:interação de diferentes padrões de nanotubos. Isso abre caminho para dispositivos futuros. Surpreendentemente, a pesquisa levou menos de nove meses desde a ideia original até a prova de conceito— um dos projetos mais rápidos da minha carreira até agora.

"Este avanço não teria sido possível sem o esforço concertado da ITMO, MIPT e Skoltech. Isto sublinha o potencial dos programas de sementes para melhorar a colaboração nacional entre equipas de investigação russas", comentou Dmitry Krasnikov, professor associado da Skoltech Photonics.

"Nosso projeto Clover foi estendido para este ano. Planejamos fabricar um dispositivo varifocal adaptativo THz baseado nas mesmas placas de zona espiral, mas aprimorado com capacidades de manipulação. Também esperamos registrar um pedido de patente para o dispositivo que já temos", Burdanova acrescentou.

Em 2023, Skoltech, MIPT e ITMO University lançaram a iniciativa Clover para apoiar a pesquisa colaborativa e promover a cooperação entre as três principais universidades do país na área de fotônica. Com a sua orientação para estudantes, investigadores e pós-doutorandos em início de carreira científica, a Clover envolve-os em projetos de investigação de fronteira e facilita a mobilidade entre equipas de investigação de topo.

O objetivo de longo prazo é iniciar programas de grande escala em fotônica e áreas afins na Rússia. A competição Clover reuniu os principais pesquisadores que trabalham nas áreas de biofotônica, materiais fotônicos avançados, fotônica topológica, computação óptica e física e tecnologia de laser.

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