تولید امواج تراهرتز به وسیله یک میکروتراشه

محققان دانشگاه پرینستون به تازگی یک میکرو تراشه که به کوچکی نوک انگشتان دست تولید کرده‌اند. این میکروتراشه امواج تراهرتز تولید می‌کند.

تولید امواج تراهرتز به وسیله یک میکروتراشه

تولید امواج تراهرتز نیازمند تجهیزات گران قیمت و پیچیده است. در حال حاضر محققان دانشگاه پرینستون مقدار زیادی از این تجهیزات را کاهش داده‌اند.

پالس‌های الکترومغناطیسی که پایداری آن‌ها از مرتبه‌ی یک میلیونیوم یک میلیونیم ثانیه است، ممکن است کلید اصلی در پیشرفت‌های مربوط به تصویربرداری پزشکی، ارتباطات، و دارو باشند. اما تولید این پالس‌ها، که امواج تراهرتز نام دارند، نیازمند تجهیزات گران قیمت و پیچیده است. در حال حاضر محققان دانشگاه پرینستون مقدار زیادی از این تجهیزات را کاهش داده‌اند و یک چیدمان آزمایشگاهی( شامل تعدادی لیزر و آینه که باید روی یک میز قرار گیرند) را به یک جفت میکروتراشه که به اندازه‌ی نوک انگشتان است تبدیل کرده‌اند.

در دو مقاله‌ که اخیرا در مجله‌ی Solid State Circuits انتشارات IEEE چاپ شده است، محققان یک میکروتراشه که می‌تواند امواج تراهرتز تولید کند و یک تراشه‌ی دوم که می تواند جزئیات پیچیده‌ی این امواج را دریافت کرده و بخواند، توصیف کرده‌اند.

Kaushik Sengupta استادیار مهندسی برق دانشگاه پرینستون می گوید: «این سامانه روی تراشه‌‌ی سیلیکونی که برای ساخت همه‌ی وسایل الکترونیکی امروزی از تلفن‌های هوشمند گرفته تا تبلت‌ها به کار می‌رود ساخته شده است و بنابراین برای تولید آن در مقیاس‌های بزرگ هزینه‌ی کمی لازم است.»

کاربردها

امواج تراهرتز قسمتی ازطیف الکترومغناطیسی هستند. طیف الکترومغناطیسی دسته‌ی گسترده‌ای از امواج است که امواج رادیویی، اشعه‌ی ایکس، و نور مرئی را دربرمی‌گیرد. مکان امواج تراهرتز در این طیف بین طول موج‌های میکروویو و مادون قرمز است. این امواج خواص منحصر به فردی دارند. برای مثال این امواج می‌توانند در بیشتر مواد غیررسانا منتشر شوند. بنابراین می‌توان از آن‌ها در بررسی جعبه‌ها یا البسه در بازرسی‌های امنیتی استفاده کرد و با توجه به این که این امواج انرژی کمتری نسبت به اشعه‌ی ایکس دارند به پوست یا DNA انسان آسیب نمی رسانند.

هم چنین، امواج تراهرتز به روش‌های متفاوت و مجزایی با مواد شیمیایی مختلف برهم کنش می‌کنند. بنابراین می‌توان از آن‌ها برای شناسلیی مواد مختلف استفاده کرد. دراین روش، که طیف سنجی نامیده می‌شود، ازامواج نوری برای تجزیه و تحلیل مواد استفاده می‌کنند. بر اساس گفته‌ی Sengupta طیف سنجی یکی از چالش برانگیزترین کاربردهای امواج تراهرتز است.

برای انجام این کار محققان طیف گسترده‌ای از امواج تراهرتز را روی یک هدف می‌تابانند و سپس نحوه‌ی تغییرات این امواج راکه در اثر برهم کنش با هدف ایجاد شده است، مشاهده می‌کنند. چشم انسان نیز می‌تواند طیف سنجی مشابهی با نور مرئی انجام می‌دهد. (ما یک برگ را به رنگ سبز می‌بینیم زیرا نور در فرکانس نور سبز از یک برگ مملو از کلروفیل پراکنده می‌شود.)

چالش‌های روبه رو و راهکارها

درحال حاضرمشکل این است که برای تولید طیف گسترده‌ای از امواج تراهرتز و تفسیر نتایج حاصل از برهم کنش آن‌ها با یک هدف، آرایه‌ی پیچیده‌ای از تجهیزات مانند مولدهای بزرگ تراهرتز یا لیزرهای فوق سریع لازم است. اندازه و قیمت این تجهیزات باعث می‌شود که استفاده از این فناوری در بیشتر موارد عملی نباشد.

محققان سال‌های زیادی برای ساده کردن این سامانه‌ها کار کرده‌اند. در ماه سپتامبر ۲۰۱۶ گروه Sengupta گزارش کردند که راهی برای کاهش اندازه‌ی مولد تراهرتز وتفسیر امواج بازگشتی از یک تراشه با ابعاد میلیمتری یافته‌اند. چگونگی انجام این کار بر پایه‌ی طرز کار یک آنتن است. وقتی که امواج تراهرتز با یک ساختار فلزی در داخل تراشه برهم کنش می‌کند توزیع پیچیده‌ای از میدان‌های الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود که منحصر به سیگنال تابشی هستند. دانشمندان کشف کرده‌اند که می توان از الگوهای ایجاد شده به وسیله‌ی این میدان‌ها برای تشخیص امواج استفاده کرد. تمام این فرآیند می‌تواند با وسایل بسیار کوچکی که داخل میکروتراشه قرار دارند و امواج تراهرتز را می‌خوانند، کامل شود.

Sengupta گفت «ما به جای خواندن مستقیم امواج، الگوهای ایجاد شده به وسیله‌ی آن‌ها را تفسیر می‌کنیم. این چیزی مشابه با جست و جو درباره‌ی قطره‌های باران از روی موج‌هایی است که در داخل یک حوضچه ایجاد می‌کنند.»

Daniel Mittleman استاد مهندسی از دانشگاه Brown گفت «توسعه‌ی این فناوری کار بسیار نوآورانه‌ای بود که آثار بسیار زیادی خواهد داشت.» او که نایب رئیس انجمن بین المللی Infrared Millimeter and Terahertz Waves است، گفت دانشمندان هنوز باید کارهای بسیاری انجام دهند تا بتوان از این امواج تراهرز در وسایل استفاده کرد اما پیشرفت‌ها امیدوارکننده است. Mittleman که با این کار آشناست اما نقشی در آن ندارد اضافه کرد «این یک پازل بزرگ با تعداد زیادی قطعه است، و این امواج فقط یک قطعه از آن هستند، اما یک قطعه‌ی بسیار مهم.»

چالش عمده‌ای که محققان در تولید امواج تراهرتز، خصوصا در میکروتراشه، با آن روبه رو هستند تولید شدن یک طیف گسترده از طول موج‌ها در داخل باند تراهرتز است. محققان پی بردند که برای رفع این مشکل می‌توانند با تولید طول موج‌های متعدد روی یک تراشه و ترکیب این طول موج‌ها با استفاده از یک زمان بندی دقیق، پالس‌های بسیار تیز تراهرتز تولید کنند.

گام‌های پیش رو

در مقاله‌ای که در ۱۴ دسامبر ۲۰۱۶ در مجله‌ی انتشارات چاپ شد محققان روش ساخت یک میکروتراشه که امواج تراهرتز تولید می‌کند را توضیح دادند. آن‌ها اظهار داشتند که گام جدید گسترش کار درمحدوده‌ی بیشتری از باند تراهرتز است. Xue Wu دانشجوی دکتری مهندسی برق دانشگاه پرینستون و نویسنده‌ی هر دو مقاله بیان کرد«اکنون ما روی بخش پایینی باند تراهرتز کار می‌کنیم.»

Sengupta گفت «با توجه به این که تعداد بسیار زیادی از ترانزیستورها در فرکانس‌های تراهرتز کار می‌کنند، تنها با تلاش برای فهمیدن برهم‌کنش‌های پیچیده‌ی الکترومغناطیسی براساس قوانین اصلی می‌توان یک فناوری جدید و تاثیرگذار اختراع کرد. »

مقاله‌ای با عنوان “On-chip THz spectroscope exploiting electromagnetic scattering with multi-port antenna” در دوم سپتامبر ۲۰۱۶ و مقاله‌ی دیگری با عنوان “Dynamic waveform shaping with picosecond time widths” در ۱۴ دسامبر ۲۰۱۶ توسط انتشارات IEEE در مجله‌ی Solid State Circuits چاپ شد. موسسه National Science Foundation’s Division of Electrical, Communications and Cyber Systems بخشی از حمایت مالی این تحقیقات را برعهده داشت (grant nos. ECCS-1408490 and ECCS-1509560).

منبع: eurekalert

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *