В электромагнитном спектре есть пробел, в который инженеры не могут проникнуть.
Спектр охватывает всё: от радиоволн и микроволн до света, достигающего наших глаз, до рентгеновских и гамма-лучей. И люди овладели искусством отправки и получения почти всех из них. Однако есть исключение.
Между лучами видимого света и вспышками радиопомех лежит мёртвая зона, где наши технологии неэффективны. Это называется терагерцовой щелью.
На протяжении десятилетий никому не удавалось создать потребительское устройство, способное передавать волны терагерцового диапазона. «Существует длинный список потенциальных приложений», — говорит Цин Ху, инженер-электрик из Массачусетского технологического института. Но некоторые исследователи медленно делают успехи. Если они смогут сделать прорыв, то будет возможность открыть целый набор новых технологий, таких как преемник Wi-Fi или более интеллектуальная система обнаружения рака кожи.
Тайна терагерца
Можно рассмотреть терагерцовую щель как пограничную полосу. С левой стороны есть микроволны и более длинные радиоволны. Справа лежит инфракрасный спектр. (Некоторые учёные даже называют терагерцовую щель «дальней инфракрасной областью».) Наши глаза не могут видеть инфракрасное излучение, но с точки зрения наших технологий оно похоже на свет.
Фото: popmech.ru
Радиоволны имеют решающее значение для связи, особенно между электронными устройствами, что делает их универсальными в современной электронике. Свет питает оптические волокна, лежащие в основе Интернета. Эти сферы технологий обычно питаются разными длинами волн и непростым образом сосуществуют в современном мире. Но обе области изо всех сил пытаются уйти далеко в терагерцовую нейтральную зону.
Стандартные электронные компоненты, такие как кремниевые чипы, не могут работать достаточно быстро, чтобы создавать терагерцовые волны. Технологии производства света, такие как лазеры, которые прекрасно себя чувствуют в инфракрасном диапазоне, также не работают с терагерцовыми волнами. Хуже того, терагерцовые волны недолго живут в земной атмосфере: водяной пар в воздухе имеет тенденцию поглощать их уже через несколько метров.
Есть несколько терагерцовых длин волн, которые могут протиснуться через водяной пар. Астрономы построили телескопы, улавливающие эти полосы, которые особенно хороши для наблюдения за межзвёздной пылью. Для наилучшего использования эти телескопы должны быть размещены в самых высоких и засушливых местах планеты, таких как чилийская пустыня Атакама, или вообще за пределами атмосферы в космосе. Остальная часть терагерцового промежутка окутана туманом. Такие исследователи, как Ху, пытаются исправить положение вещей, но это непросто.
Инженерные терагерцовые волны
Когда дело доходит до подключения к терагерцовым волнам, мир электроники сталкивается с фундаментальной проблемой. Чтобы войти в разрыв, кремниевые чипы в нашей электронике должны быстро пульсировать — триллионы циклов в секунду (отсюда терагерц). Микросхемы в телефоне или компьютере могут прекрасно работать при миллионах или миллиардах циклов в секунду, но они с трудом достигают триллионов. Высоко экспериментальные терагерцовые компоненты, которые действительно работают, могут стоить столько же, сколько роскошный автомобиль. Инженеры работают над снижением цен.
Фото: indicator.ru
Другая область, мир света, давно стремится создать устройства, подобные лазерам, которые могли бы дёшево создавать терагерцовые волны на определённых частотах. О том, как сделать такой лазер, исследователи говорили ещё в 1980-х годах. Некоторые думали, что это невозможно. Но Ху из Массачусетского технологического института так не думал. «Я ничего не знал о том, как делать лазеры, — говорит он. Тем не менее, создание такого лазера стало его целью.
Затем, в 1994 году, учёные изобрели квантовый каскадный лазер, который особенно хорошо подходил для получения инфракрасного света. Всё, что нужно было сделать Ху и его коллегам, — это настроить лазер к более длинным волнам дальнего инфракрасного диапазона. Примерно в 2002 году им удалось создать терагерцовый квантово-каскадный лазер. Но была одна загвоздка: для фактического срабатывания системе требовалась температура около -208 градусов по Цельсию. Для работы также требовался жидкий азот, что затрудняло использование вне лаборатории или криогенных установок.
Спустя два десятилетия этот порог температуры увеличился. Новейшие лазеры из лаборатории Ху работают при температуре – 13 градусов по Цельсию. Это не совсем комнатная температура, но достаточно тёплая, чтобы лазер можно было охладить в переносном холодильнике и вывезти из лаборатории. Между тем, в 2019 году группа из Гарварда, Массачусетского технологического института и армии США создала терагерцовый лазер размером с обувную коробку, который может изменять молекулярный газ.
За то время, которое Ху потратил на точную настройку своего лазера, электроника тоже добилась прогресса. Достижения в области создания чипов и материалов, из которых они изготавливаются, заставляют их работать всё быстрее и быстрее. (Наноплазменный чип, созданный группой в Швейцарии в 2020 году, смог передать 600 милливатт терагерцовых волн, но опять же, только в лаборатории.)
Хотя инженеры-электрики хотят большего прогресса, проектирование терагерцовых компонентов не является уже такой далёкой мечтой, как была когда-то.
«Теперь мы действительно можем создавать на чипе очень сложные системы, — говорит Руонан Хан, инженер-электрик из Массачусетского технологического института.
«За последние тридцать лет произошёл прогресс с обеих сторон», — говорит Марк Шервин, физик из Калифорнийского университета, работающий с терагерцовой установкой в Санта-Барбаре. «Это всё ещё относительно редкие случаи, но я бы сказал, гораздо, гораздо, гораздо чаще… и намного проще».
Такие масштабы времени длиной в десятилетия обычны в мире, где новые технологии вращаются в циклах ажиотажа и разочарования. Среди инженеров терагерц не исключение.
Будущее терагерцовой технологии
На данный момент две сферы, пытающиеся войти в тёмную зону терагерцового диапазона с обоих концов, остаются в значительной степени разделёнными. Тем не менее, они дают научному миру новые возможности в широком спектре дисциплин. Некоторые из этих способностей могут ускорить общение.
Wi-Fi работает на микроволнах: Терагерц с более высокими частотами, чем микроволны, может обеспечить лучшее соединение, которое на несколько порядков быстрее. Через провод он также может создать молниеносный переход между USB и оптоволокном.
Терагерцовые волны также идеально подходят для обнаружения веществ. «Почти у каждой молекулы есть спектр «отпечатков пальцев» в терагерцовом диапазоне частот», — говорит Шервин. Это делает терагерцовые волны оптимальными для обнаружения химических веществ, таких как взрывчатые вещества и молекулы в лекарствах. Астрономы уже используют эту возможность для изучения химического состава космической пыли и небесных объектов.
Фото: indicator.ru
Ближе к Земле Хан представляет себе терагерцовый «электронный нос», который мог бы даже различать запахи в воздухе. Эти терагерцовые сигнатуры также делают дальний инфракрасный диапазон идеальным для сканирования людей и объектов.
Терагерцовые волны могут видеть сквозь вещи, которые свет не может видеть, например, через одежду, с дополнительным бонусом, избегая потенциально вредного ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи.
Специалисты по проверке безопасности уже проявили интерес к этой технологии. Единственная характеристика сканирования, которой не хватает терагерцовым волнам, заключается в том, что они не могут проходить через воду — в воздухе и в человеческом теле. Но для медицины это не помеха. Врач мог бы использовать терагерцовое устройство для обнаружения тонких признаков рака кожи, которые рентген может не заметить; или нейробиолог может использовать его для сканирования мозга мыши.
Ху считает, что исследования ещё только начинаются. «Если мы сможем разработать инструменты, которые действительно могут видеть что-то и не сканировать какую-то область вечно, это действительно может побудить потенциальных практиков экспериментировать с этим», — говорит он. — Это открытый вопрос. Большая часть терагерцового разрыва остаётся белым пятном на картах исследователей, а это означает, что оборудование, использующее желанные дальние инфракрасные волны, ещё не распространено.
«У исследователей действительно мало шансов изучить, в чём терагерцовые волны могут быть хороши», — говорит Хан. Так что пока более быстрый и чувствительный мир внутри пропасти остаётся в основном в их воображении.