Proč právě terahertzové vlny?

Spektrum mezi mikrovlnami a infračerveným světlem – právě tam se nachází terahertzové záření. V praxi to znamená, že THz vlny dokážou procházet materiály, které světlo nepropustí, aniž by způsobovaly poškození. Papír, textilie nebo plast pro ně nepředstavují problém. Proniknou skrz a přitom dokážou zachytit vnitřní struktury molekul, což z nich dělá ideální nástroj třeba pro medicínu, bezpečnost nebo rychlý přenos dat.

K tomu, aby tato technologie skutečně naplno vynikla, ale vědci potřebují dokonale ovládnout jednu věc – polarizaci, tedy směr, kterým elektromagnetická vlna kmitá. Pro různé aplikace je vhodná různá polarizace – lineární, kruhová či eliptická. A tady se začíná lámat chleba.

Dosavadní řešení: velké, neohrabané a neflexibilní

Doposud bylo nutné přidávat k THz zdrojům další zařízení – například vlnové destičky nebo metamateriály, aby se polarizace vln změnila. Jenže to jsou komponenty, které jsou velké, často nákladné a ne vždy fungují napříč celým potřebným frekvenčním rozsahem. A navíc komplikují návrh kompaktních systémů – což je problém například při miniaturizaci elektroniky nebo při vývoji čipů.

Zdroj: Shutterstock

Průlom díky proužkům o velikosti mikronů

Vědecký tým z Beihang University v Číně přišel s geniálně jednoduchým nápadem. Využil mikroskopické proužky, konkrétně vzorované vrstvy tenkých kovových filmů, k tomu, aby ovlivnil, jakým způsobem vzniká samotné terahertzové záření. Nejde tedy o dodatečné úpravy vlny, ale o její formování už během generace.

Klíčové jsou vrstvy z wolframu, slitiny kobalt-železo-bor a platiny. Když na tento materiál dopadnou ultrarychlé laserové pulzy, vzniká tzv. spinový proud – tok spinu elektronů. Díky jevu zvanému inverzní spin Hallův efekt se tento proud přemění na elektrický náboj, což následně generuje THz vlnu. A právě zde přichází ke slovu struktura proužků – ta totiž mění rozložení náboje a tím ovlivňuje, jaká vlna se vytvoří.

Jednoduché otáčení, dokonalá kontrola

Zní to neuvěřitelně, ale otočením samotného emitoru lze přepínat mezi různými typy polarizace – od lineární přes eliptickou až po vysoce kvalitní kruhovou polarizaci. A to bez jakýchkoli dalších zařízení nebo optických elementů.

Tým ověřil funkčnost na sedmi různých vzorech proužků s odlišným poměrem délky a šířky. Výsledky potvrdily, že větší poměr (tedy delší a užší proužky) vede k silnějšímu vnitřnímu elektrickému poli – a tedy k výrazně lepší kontrole polarizace. Pomocí vhodného úhlu natočení proužkového vzoru pak lze přepínat mezi pravotočivou a levotočivou kruhovou polarizací. Výsledek? Malé zařízení s přesným ovládáním dříve nemyslitelným.

Reálné dopady: od nemocnic po kvantový výzkum

Možnosti využití? Široké a zásadní:

• Bezdrátová komunikace: díky tzv. polarizačnímu multiplexu lze přenášet více dat najednou, čímž se efektivně zdvojnásobí kapacita přenosu.
• Zdravotnictví: přesnější zobrazení biomolekul může znamenat dřívější a přesnější diagnózy.
• Kvantová fyzika a senzory: lepší měření, vyšší přesnost a nové experimenty, které byly dříve mimo dosah.