Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) создали плазмонный интерферометр терагерцевого диапазона. Разработка поможет быстрее подобрать материалы для плазмонных устройств беспроводной связи. По сравнению со сверхвысокими частотами скорость передачи данных на терагерцевых выше на порядок.
Плазмонный интерферометр нужен для изучения оптических свойств поверхности металлов и пленок, на основе которых создаются плазмонные интегральные схемы. Прибор использует не электромагнитные волны, а поверхностные плазмон-поляритоны — электромагнитные колебания на границе между металлом и диэлектрическим материалом. Электромагнитная волна распространяется по поверхности материала вместе с волной свободных зарядов. Характеристики этих зарядов несут информацию об оптических свойствах образца.
Плазмонные интегральные схемы похожи на микросхемы радиоэлектроники, только в них носителями информации выступают поверхностные волны, а принцип действия отдельных плазмонных элементов может принципиально отличаться от классических аналогов.
«Современные устройства передачи и обработки сигналов, например 4G, работают на сверхвысоких частотах, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. Он в проекте с самого старта, еще с аспирантуры. Многие наработки для интерферометра легли в основу его кандидатской диссертации. — Средняя скорость беспроводной передачи данных в микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0,5 до 100 Гбит/с. Чтобы увеличить скорость, осваивают терагерцевый диапазон. У телекоммуникационных ТГц-устройств, в том числе систем беспроводной связи, таких как 6G, будет до 1 Тбит/с. В силу узкой направленности диаграммы излучаемых и принимаемых плазмонными антеннами электромагнитных волн можно будет направленно передавать информацию от источника к приемнику. Это повысит ее защищенность. Такие возможности интересны высокотехнологичным корпорациям типа «Росатома», которым нужно быстро передавать большой объем данных по защищенным каналам».
Сфера применения устройств ТГц-диапазона обширна: от безопасности до космоса и медицины. Бумага, большинство пластиковых материалов и тканей для терагерцевых волн прозрачны, с их помощью можно обнаруживать металлические предметы, наркотики, биологические и химические соединения. В мировой медицине терагерцевыми волнами выявляют офтальмологические заболевания и рак кожи. Терагерцевые телескопы фиксируют реликтовое излучение — космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода после Большого взрыва и равномерно заполняющее Вселенную. Эти телескопы дают возможность лучше изучить раннюю стадию развития Вселенной.
«Росатом» следит за новинками в области коммуникаций. Так, в 2019 году на Машиностроительном заводе испытали сеть Private LTE. В 2021 году эксперимент продолжился на Чепецком механическом заводе. Там испытали выделенную беспроводную сеть Private LTE/5G. В том же году «Гринатом» и МТС в рамках пилотного проекта по тестированию связи 5G развернули несколько цифровых сервисов на базе выделенной сети LTE на Кочубеевской ветроэлектростанции «Новавинда»
Плазмонный интерферометр появился в результате комплексных исследовательских работ ИЯФа и московского Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН. Два коллектива более 10 лет посвятили этой работе. Главным техническим подспорьем был лазер на свободных электронах в ИЯФе. По спектральной яркости излучения в области 0,8–10 ТГц этот лазер на несколько порядков превосходит любой другой.
«Его характеристики — монохроматичность, когерентность, перестройка длины волны излучения в широком диапазоне и, что важно, высокая средняя мощность, аналогов которой в мире нет, — говорит Василий Герасимов. — Все это позволило нам пройти многие экспериментальные трудности и поэтапно, шаг за шагом, разработать плазмонный интерферометр Майкельсона терагерцевого диапазона».
Один из самых важных вопросов, которые предстояло решить, — какие материалы использовать для плазмонных схем. В распоряжении ученых были созданные коллегами из других институтов образцы металлов и проводников, способные работать в нужном диапазоне. Проблема заключалась в том, что их исследовали классическими спектроскопическими методами и получали данные об объемных свойствах материалов. Новосибирским же ученым важны были свойства поверхностные.
«Характеристики плазмон-поляритонов, а значит, и энергоэффективность плазмонных схем, и качество передаваемой ими информации зависят от оптических свойств приповерхностного слоя материала и покрытий толщиной десятки нанометров, — поясняет Василий Герасимов. — Многие отечественные и зарубежные научные группы занимались исследованиями в области ТГц-плазмоники в 1970–2000-е годы, но прекратили, так как столкнулись с большими экспериментальными сложностями. Так что наш проект — уникальный».
«Мы научились генерировать плазмоны, управлять их распространением и характеристиками, — рассказывает Василий Герасимов. — Мы испытали интерферометр на лазере на свободных электронах, подобрали оптимальные режимы работы. Результаты опубликованы в журналах Instruments and Experimental Techniques и Applied Sciences. Испытания проходили на металлических пленках, нанесенных на подложку методом магнетронного распыления у нас же в институте. Выяснилось, что от технологии напыления и шероховатости подложки сильно зависят оптические свойства поверхности материала. Это пригодится коллегам, которые занимаются рентгеновскими зеркалами для станций СКИФа (Сибирского кольцевого источника фотонов. — «Лаб. СР»). Они тоже используют металлические пленки».
Еще одна область применения интерферометра — изучение композитных пленок из графеновых наночастиц. Группа исследователей проверяет возможность наносить на них интегральные плазмонные схемы для устройств 6G.
В основе плазмонного интерферометра терагерцевого диапазона лежит классическая схема американского физика Альберта Майкельсона. В 1887 году он первым в мире с высокой точностью измерил длину световой волны. В ИЯФе развили идею Майкельсона — вместо электромагнитных волн использовали поверхностные плазмон-поляритоны.