Квантовые точки позволят уместить излучатели на кончике пальца

Российские и британские учёные создали антенну, способную радикально уменьшить размер источников и приёмников терагерцевого излучения, позволяющего "видеть" сквозь стены. На их основе также предполагается создавать томографы для поиска опухолей и компактные высокоскоростные системы космической связи. Соответствующая статья опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

Исследователи из Астонского университета (Великобритания) и Университета ИТМО (Россия) использовали для создания терагерцевой антенны квантовые точки вместо обычных полупроводников. Это позволяет сделать источники терагерцевого изучения способными работать при комнатной температуре и при этом быть очень компактными — размером буквально с кончик пальца.

Квантовой точкой называют крохотный фрагмент полупроводника, в котором носители заряда — электроны и дырки — ограничены в пространстве настолько малом, что там начинают преобладать квантовые, а не классические эффекты. Используя квантовые точки, исследователи в эксперименте показали, что с их помощью можно генерировать терагерцевое излучение без сбоев даже при значительной температуре. Такие антенны оказались в 20 раз более устойчивы к разрушению и сбоям, чем обычные полупроводниковые устройства. Благодаря использованию квантовых точек удалось снять ограничение на ширину светового спектра, в котором работают современные преобразователи. Это даёт возможность размещать антенны с одном блоке с компактными инфракрасными лазерами.  

Диапазон терагерцевого излучения лежит между инфракрасной частью спектра и сверхвысокими частотами (как в микроволновке). Поэтому оно не поглощается тонким слоем живой ткани, пластика или дерева. Это позволяет делать на его основе изображения тканей человека в естественных условиях. Так можно будет в реальном времени получать изображения глубоких слоёв кожи, изучать развитие эмбрионов, процессы, происходящие в мозге и других внутренних органах, а также в опухолях.

Подобное излучение значительно меньше рассеивается в живых существах, чем инфракрасное и видимое. Поэтому терагерцевые системы будут обладать намного большей информативностью, чувствительностью и быстродействием, чем их аналоги, работающие в других частях электромагнитного спектра. Умеренная длина волны подходит для создания работающих в том же диапазоне высокоскоростных систем связи для космических аппаратов.

Однако на пути к этим целям лежали большие технические сложности. Сегодня для генерации терагерцевого излучения применяются источники, превращающие лучи инфракрасного лазера в терагерцевые. Чтобы добиться такой непростой трансформации, используют сложные системы из волноводов и полупроводниковых кристаллов (диодов). Всё это делает терагерцевые генераторы с приемлемой производительностью большими, дорогими и работающими только при очень низких температурах. Новое исследование показывает эффективный способ решения значительной части этих проблем.